NS2基于控制原理的网络拥塞控制设计(3)
为了改善丢尾算法的不足，近年来逐渐兴起了对主动队列管理算法（AQM）的研究。其核心思想是对拥塞进行早期的检测并向端系统发出拥塞指示，使得端系统在路由器队列溢出和丢包之前降低数据包的发送速度[6]，降低丢包率的同时又提高了链路利用率，从而实现减少排队时延增加吞吐量的目的在。Floyd和Jacobso在1993年提出随机早期探测（RED——Random Early Detection）算法，弥补了早期随机丢弃（ERD）算法偏袒突发业务的不公平问题。RFC2309推荐其为AQM唯一候选算法，目前已经得到一定的商业应用。随着RED应用的普及，其自身在稳定性以及公平性方面的缺点也日益暴露出来，为了改善RED算法的缺陷，研究人员开发出gentle-RED、Adaptive-RED、FRED、Stabilize RED、Balanced-RED等算法，从不同角度对RED算法的缺点做出了改进。然而，这些算法在很大程度上依赖直觉，并且只适用于解决局部问题。在此基础上，人们将控制理论引入网络拥塞算法，设计了比例积分（PI）、REM、AVQ等基于控制理论的各种互联网拥塞控制算法，实现了对算法全面系统的研究。
1.3 本文内容
本文主要研究了网络拥塞控制的基本原理。随着互联网应用的丰富，网络拥塞控制在保障Qos方面作用日益重要。本文主要研究了几种主动队列管理算法，分别是RED、gentle-RED、PI、PID算法。并通过NS2软件进行了仿真，并对集中算法的性能做出比较。
章节安排如下：
第一章主要介绍了网络拥塞控制的研究背景，指出了拥塞控制的重要地位，并对控制算法的发展历程进行回顾。
第二章主要介绍了RED算法，从原理的介绍过渡到离散算法的设计，指出其优点和不足，并对RED算法丢包率做出改进，得到gentle-RED算法，同时给出了二者的源代码。
第三章主要介绍了PI算法，包括原理介绍以及算法设计，在分析其优点缺点的基础上做出进一步改进，设计PID算法，给出了二者关键算法的源代码。
第四章主要对上述四种算法进行了仿真。首先介绍了NS2软件的基本结构和扩展方法，补充了PID算法。接着在模拟器中搭建拓扑结构，通过对瓶颈节点采用不同的队列管理算法来比较各种算法的性能。文中设计了三个实验，并分别测量了瓶颈节点队长、丢包率、以及指定链路的吞吐量，并绘制曲线进行了直观比较。
第五章对全文所做工作进行了系统的回顾，对所研究的四种算法进行了系统的总结。同时对今后进一步的研究指明了方向，结合当前实际，明确了有待深入研究的工作内容。
2. RED算法及Gentle-RED算法
2.1 RED算法概述
RED（Random Early Detection）即随机早期丢弃算法，于1993年由Floyd 和Jacobson提出，该算法含有两个主要思想：一是通过平均队长而非瞬时队长调整分组丢失概率，以此尽可能地吸收部分短暂突发流量；二是不等队列全满再丢弃到来的分组，利用概率判定机制，事先丢弃部分分组，预防可能发生的拥塞[7]。
RED算法中主要参数有四个，分别是 ，其中， 为最大队列阈值， 为最小队列阈值， 为最大丢弃概率， 为指数加权滑动平均中的权值。
在RED算法中，路由器先用指数加权平均法计算平均队长 ，并将其同两个阈值 和 比较，当 时，不丢弃任何分组，当 时，丢弃每一个到达的分组，当 时，计算丢弃概率 ，其中 正比于 。可见，在RED算法中主要有两个过程，分别是平均队长的计算以及丢包概率的求解。下面来介绍这两个过程。
（1）采用EWMA方法计算平均队长。平均队列长度的计算公式为 ，其中 为当前队长。采用加权的方法避免了Internet突发的数据流给平均队长造成较大的影响，使 尽量反映一段时间内的拥塞程度。这其中，参数 的选择至关重要， 过小，平均队长不能有效的反应瞬时队长，无法对拥塞程度进行合理反应。 过大，算法又不能避免短暂拥塞的影响。一般来说，它由路由器允许的突发业务大小以及持续的时间所决定的。
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