一种基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102932840 A (43)申请公布日 2013.02.13 C N 1 0 2 9 3 2 8 4 0 A *CN102932840A* (21)申请号 201210458966.0 (22)申请日 2012.11.14 H04W 28/02(2009.01) H04L 12/863(2013.01) (71)申请人浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人徐正国 尹翔 孙优贤 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人张法高 (54) 发明名称 一种基于速率和队列长度的无线路由器主动 队列管理方法

2、(57) 摘要 本发明公开了一种基于速率和队列长度的无 线路由器主动队列管理方法。本发明共包括四 个模块：入队模块，出队模块，更新模块和丢弃模 块，根据缓存器入队速率和出队速率估计值，以及 缓存器队列实时长度来控制调整数据分组丢弃概 率，并同时利用缓存区入队速率和出队速率估计 值来调整数据分组丢弃概率更新时间。本发明具 有高适应性和高鲁棒性，在动态复杂的有线-无 线异构网络环境下，具备在保证较高的链路利用 率的条件下减小端到端时延的特点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页

3、 附图 3 页 1/1页 2 1.一种基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法,其特征在于共分为入 队模块，更新模块，丢弃模块和出队模块四个模块，方法的步骤如下： 步骤(1)：初始化，等待新的数据分组到达； 步骤(2)：当新的数据分组到达后，如果现有缓存区队列长度Q(t)小于缓存区最大队 列长度Q Max ，转到步骤(3)；如果现有缓存区队列长度Q(t)等于缓存区最大队列长度Q Max ，转 到步骤(11)； 步骤(3)：数据分组入队，更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 步骤(4)：根据下面公式： 估计缓存区入队速率，其中e是自然常数，r in (t)为入队速率估计值，T是更新时间，

4、 K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 步骤(5)：判断当前系统时间和前一次丢弃概率更新时间的差值是否大于T，是则转 到下一步，否则转到步骤(8)； 步骤(6)：根据下面公式计算当前更新时间 其中e是自然常数，T为平均的往返时间Round-Trip Time，为更新时间调整常数， r in (t)和r out (t)为入队速率和出队速率估计值； 步骤(7)：根据下列公式： P(t)1- -p(t) p(t)p(t pre )+|r in (t)-r out (t)|+Q max /Q(t)-1 计算分组丢弃概率，其中P(t)为t时刻缓存区分组丢弃概率，和为调节丢弃概 率变化的常

5、数； 步骤(8)：随机产生一个服从(0，1)上均匀分布的随机变量P，如果转到步骤(9)；否则 转到步骤(11)； 步骤(9)：数据分组出队，根据下列公式： 估计此时刻缓存区出队速率，转到步骤(12)，其中e是自然常数，r out (t)为出队速率估 计值，T是当前更新时间，K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 步骤(10)：更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 步骤(11)：丢弃该数据分组； 步骤(12)：转到步骤(2)，重复步骤(2)到步骤(11)，直至结束。 权 利 要 求 书CN 102932840 A 1/4页 3 一种基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法

6、技术领域 0001 本发明属于路由器队列管理和拥塞控制领域，涉及一种基于速率和队列长度的无 线路由器主动队列管理方法。 背景技术 0002 网络拥塞控制是近十几年来一个热门的研究话题。经过实践证明，在传统网络环 境下，TCP端到端拥塞控制机制能够有效的防止拥塞崩溃现象的发生。然而传统的端到端 拥塞控制机制在公平性、端到端延时、链路利用率以及发生拥塞后恢复正常工况的响应性 等指标等方面效率低下，网络服务质量也得不到很好的保证。所以主动队列管理（Active Queue Management,AQM）被推荐部署在网络中间节点（如路由器）上来增强端到端拥塞控制 机制性能。 0003 主动队列管理方法

7、的主要技术要求包括：（1）提供高的网络吞吐量，提高网络带 宽利用率；（2）降低网络端到端时延；（3）保证较高的鲁棒性和响应性；（4）方法简单高效， 便于推广和扩展，能部署到实际网络中并可以适应不同的网络环境。 0004 现有的主动队列管理方法中，由S.Floyd最早提出的随机早期检测（RED）方法 应用最广泛，在征求意见文件Request for Comment(RFC)2309中被推荐为AQM唯一候 选算法。但是随着实验研究的深入，人们逐渐发现RED算法本身存在着很多不完善的地 方，如稳定性不理想，对参数选取敏感等。所以针对RED算法有着很多改进的版本，比如 self-configuring

8、 RED（自配置RED）、ARED(自适应RED)、loss ratio based RED(基于丢 包速率的RED)。这些改进的RED算法在一定程度上提升了RED算法在不同网络情形下的 性能。C.V.Hollot等人在TCP流量控制动态非线性模型基础上提出了包含PI（比例积分） 控制器的AQM。虽然PI控制器能够克服RED的部分局限，但是PI控制器鲁棒性较差，不适 应复杂多变的网络环境。 0005 目前AQM方法有两个主要的问题尚未得到完满解决：（1）大多数现有AQM方法是 针对有线网络环境设计的，在无线网络环境下会导致网络服务质量下降；（2）大多数现有 AQM方法没有自适应性，尤其算法中的

9、参数多为静态参数，需要经过在经验基础上的选择才 能够满足特定的网络环境。 发明内容 0006 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够保证高链路利用率和低传输 时延的基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法，能够适应高误码率和网络容 量变化的动态复杂有线-无线异构网络环境。 0007 基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法，共分为入队模块，更新模 块，丢弃模块和出队模块四个模块，方法的步骤如下: 0008 步骤（1）：初始化，等待新的数据分组到达； 0009 步骤（2）：当新的数据分组到达后，如果现有缓存区队列长度Q(t)小于缓存区最 说 明 书CN 102932840 A

10、 2/4页 4 大队列长度Q Max ，转到步骤（3）；如果现有缓存区队列长度Q(t)等于缓存区最大队列长度 Q Max ，转到步骤（11）； 0010 步骤（3）：数据分组入队，更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 0011 步骤（4）：根据下面公式： 0012 r in (t)(1-e -T/K )1/T+e -T/K r in (t pre ) 0013 估计缓存区入队速率，其中e是自然常数，r in (t)为入队速率估计值，T是更新 时间，K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 0014 步骤（5）：判断当前系统时间和前一次丢弃概率更新时间的差值是否大于T，是 则转到下

11、一步，否则转到步骤（8）； 0015 步骤（6）：根据下面公式计算当前更新时间 0016 0017 其中e是自然常数，T为平均的往返时间Round-Trip Time，为更新时间调整常 数，r in (t)和r out (t)为入队速率和出队速率估计值； 0018 步骤（7）：根据下列公式： 0019 P(t)1- -p(t) 0020 p(t)p(t pre )+|r in (t)-r out (t)|+Q max /Q(t)-1 0021 计算分组丢弃概率，其中P(t)为t时刻缓存区分组丢弃概率，和为调节丢 弃概率变化的常数； 0022 步骤（8）：随机产生一个服从（0,1）上均匀分布的随

12、机变量P，如果转到步骤（9）； 否则转到步骤（11）； 0023 步骤（9）：数据分组出队，根据下列公式： 0024 r out (t)(1-e -T/K )1/T+e -T/K r out (t pre ) 0025 估计此时刻缓存区出队速率，转到步骤（12），其中e是自然常数，r out (t)为出队速 率估计值，T是当前更新时间，K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 0026 步骤（10）：更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 0027 步骤（11）：丢弃该数据分组； 0028 步骤（12）：转到步骤（2），重复步骤（2）到步骤（11），直至结束。 0029 本发明具有

13、高适应性和高鲁棒性，在动态复杂的有线-无线异构网络环境下，具 备在保证较高的链路利用率的条件下减小端到端时延的特点。 附图说明 0030 图1为本发明的模块示意图； 0031 图2为本发明的软件流程图； 0032 图3为本发明的仿真实验拓扑图； 0033 图4为本发明中二态马尔科夫错误模型示意图； 0034 图5为本发明中链路利用率随时间的变化图； 0035 图6为本发明中端到端时延随时间的变化图。 具体实施方式 说 明 书CN 102932840 A 3/4页 5 0036 本发明为一种无线路由器主动队列管理方法，可称之为基于速率和队列长度的主 动队列管理方法（NRAQM）。目的是得到一种能

14、够有效适应有线-无线异构网络环境的主动 队列管理方法。仿真实验结果表明，这种主动队列管理方法能够有效适应有线-无线网络 的时变特性，有良好的综合性能。 0037 基于速率和队列长度的无线路由器主动队列管理方法，共分为入队模块，更新模 块，丢弃模块和出队模块四个模块，模块示意图如图1所示。本发明的软件流程如图2所示， 其中具体步骤如下: 0038 步骤（1）：初始化，等待新的数据分组到达； 0039 步骤（2）：当新的数据分组到达后，如果现有缓存区队列长度Q(t)小于缓存区最 大队列长度Q Max ，转到步骤（3）；如果现有缓存区队列长度Q(t)等于缓存区最大队列长度 Q Max ，转到步骤（1

15、1）； 0040 步骤（3）：数据分组入队，更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 0041 步骤（4）：根据下面公式： 0042 r in (t)(1-e -T/K )1/T+e -T/K r in (t pre )， 0043 估计缓存区入队速率，其中e是自然常数，r in (t)为入队速率估计值，T是更新 时间，K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 0044 步骤（5）：判断当前系统时间和前一次丢弃概率更新时间的差值是否大于T，是 则转到下一步，否则转到步骤（8）； 0045 步骤（6）：根据下面公式计算当前更新时间 0046 0047 其中e是自然常数，T为平均的往返时

16、间Round-Trip Time，为更新时间调整常 数，r in (t)和r out (t)为入队速率和出队速率估计值； 0048 步骤（7）：根据下列公式： 0049 P(t)1- -p(t) 0050 p(t)p(t pre )+|r in (t)-r out (t)|+Q max /Q(t)-1 0051 计算分组丢弃概率，其中P(t)为t时刻缓存区分组丢弃概率，和为调节丢 弃概率变化的常数； 0052 步骤（8）：随机产生一个服从（0,1）上均匀分布的随机变量P，如果转到步骤（9）； 否则转到步骤（11）； 0053 步骤（9）：数据分组出队，根据下列公式： 0054 r out (t

17、)(1-e -T/K )1/T+e -T/K r out( t pre ) 0055 估计此时刻缓存区出队速率，转到步骤（12），其中e是自然常数，r out (t)为出队速 率估计值，T是当前更新时间，K为调节常数，t pre 为前一次估计算法执行时刻； 0056 步骤（10）：更新当前路由器缓存区队列长度Q(t)； 0057 步骤（11）：丢弃该数据分组； 0058 步骤（12）：转到步骤（2），重复步骤（2）到步骤（11），直至结束。 0059 本主动队列管理方法的核心是通过利用估计的缓存器入队速率和出队速率、以及 缓存器队列实时长度来控制调整数据分组丢弃概率，并同时利用估计的缓存区入队

18、速率和 说 明 书CN 102932840 A 4/4页 6 出队速率来调整数据分组丢弃概率更新的时间，来有效地提升网络的性能。 0060 本主动队列管理方法主要分为四个模块：入队模块、更新模块、丢弃模块和出队模 块。其中具体各个模块功能如下所述：入队模块主要功能是更新当前路由器缓存区队列长 度和估计缓存区入队速率，主要包含上述步骤（2），步骤（3），步骤（4）；更新模块是本发明 的核心模块，主要包含上述步骤（5），步骤（6），步骤（7）；丢弃模块主要功能是以P(t)的概 率对缓存区内的数据分组做丢弃操作，主要包含上述步骤（8），步骤（11）；出队模块主要功 能是当数据分组出队后更新队列长度和

19、估计缓存区出队速率，主要包含上述步骤（9），步骤 （10）。 0061 实施例 0062 本实施例在NS2(Network Simulator,Version2)网络仿真软件上实现了一种基于 速率和队列长度的主动队列管理方法(NRAQM)，并对它的性能进行了详细测试。NS2网络仿 真软件由UC Berkeley大学开发而成，是针对网络技术应用测试的开源免费软件模拟平台。 同时NS2是目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件，通过该平台所得出的研究结果也是 被学术界所普遍认可的。 0063 采用典型的杠铃型拓扑结构，如图3所示。其中n条数据流共用一条瓶颈链路。 W（1）,W(n)为发送节点，M（1）

20、,M(n)为接收节点，R和BS为路由器。数据发送端 W(1),W(2),W(n)到R之间均为有线链路。数据接收端M(1),M(2),M(n)和基站BS 之间均为无线链路。 0064 在实施例中以TCP-Reno为缺省传输层协议。瓶颈链路缓存区队列长度为20个数 据包。所有有线链路的带宽设置为10Mbps。所有链路传输时延设置为10ms。 0065 为了验证本发明在复杂网络情形下的鲁棒性。将仿真的环境设置为一个包含流量 变化、误码率变化和带宽变化的复杂情形。整个仿真实验持续60秒。开始10秒钟内，基于 TCP的FTP业务流数目从0增加到100，同时每个FTP流持续时间为50秒，所有基于TCP的

21、FTP业务流在实验开始60秒钟后都停止。无线链路带宽会在2Mbps和11Mbps之间随机变 化。同时为了更准确的表现无线链路的误码率变化特点，采用了二态马尔科夫错误模型，如 图3所示。其中平均误码率P可由下列公式计算： 0066 0067 其中G(Good)为误码率较低时的状态，误码率为P G ；B(Bad)为误码率较高时的状 态，误码率为P B ；而G和B之间转变的概率分别为P GB 和 PBG 。 0068 在实施例中将NRAQM与已有的RED、Drop Tail和PI等AQM控制器进行比较。图4 和图5分别是链路利用率和端到端时延随时间的变化图。从图4可以看出，NRAQM比RED、 Dr

22、op Tail和PI等AQM控制器有着更高的链路利用率。这是因为NRAQM同时利用出队和入 队速率作为参考变量，在带宽和误码率不断变化的无线链路中有更好的性能。从图5可以 看出，NRAQM和RED相对于DropTail和PI有着更小的端到端时延。同时还可以看到NRAQM 的端到端时延比RED、Drop Tail和PI的端到端时延震荡幅度更小。这是因为NRAQM采用 的更新计时模块可以使端到端时延更加平稳。 说 明 书CN 102932840 A 1/3页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102932840 A 2/3页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102932840 A 3/3页 9 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102932840 A