周鑫——主动队列管理(AQM)
主动队列管理AQM
主动队列管理AQM主动队列管理（Active Queue Management，简称AQM）是一种网络流量管理机制，旨在减少网络拥塞并提高吞吐量和延迟性能。
AQM通过在网络交换机中实现一系列的算法和策略来控制数据包的传输和排队，以解决传统的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）拥塞控制方法的一些缺陷。
一、AQM的背景与意义网络中的拥塞是指当网络中的流量量超过网络链路的吞吐能力时，网络出现堵塞的现象。
传统的TCP拥塞控制方法主要依靠丢包作为拥塞信号的指示，一旦丢包发生，TCP会减少发送速率。
然而，丢包并不能及时地反映网络的拥塞情况，且丢包发生后需要一定时间的恢复，导致了网络性能的下降。
AQM的提出旨在通过主动控制交换机中的队列长度，实时地反馈网络拥塞情况给数据源，从而减少队列中的排队延迟，提高网络的吞吐量和时延性能。
AQM的引入可以使得网络在拥塞发生前就采取一些措施，如主动丢弃数据包、降低发送速率等，以避免网络的拥塞现象。
二、AQM的工作原理AQM的工作原理可以总结为以下几个步骤：1. 检测队列长度：AQM通过周期性地检测队列的长度来获得拥塞信息。
当队列长度超过一定的阈值时，表示网络出现了拥塞。
2. 拥塞信号生成：一旦检测到网络拥塞的信号，AQM会根据一定的算法生成相应的拥塞信号。
常见的算法包括随机早期检测（Random Early Detection，RED）和随机早期丢弃（Random Early Drop，RED），它们分别通过计算数据包排队概率和随机丢包的方式来产生拥塞信号。
3. 拥塞信号传输：AQM将生成的拥塞信号传输到数据源或发送方。
这可以通过向数据源发送拥塞通知消息或降低数据包的传输速率来实现。
4. 数据源的拥塞响应：接收到拥塞信号的数据源或发送方会根据拥塞信号采取相应的措施以降低发送速率，从而减少拥塞现象。
三、AQM的优势与挑战AQM相对于传统的TCP拥塞控制方法具备以下优势：1. 实时性：AQM能够实时地反馈拥塞信息给数据源，数据源可以及时采取措施，从而降低了网络拥塞的发生概率。
几种典型主动队列管理算法
几种典型主动队列管理算法Active Queue Management (AQM)算法是一种在网络路由器中使用的管理队列的方法。
它的目标是通过减少网络拥塞来提高网络性能，减少延迟和数据包丢失。
下面是几种典型的AQM算法：1. 随机早期检测（Random Early Detection，RED）：RED是最早的AQM算法之一，它基于网络中的拥塞情况来丢弃数据包。
RED通过随机选择和丢弃一部分数据包来避免队列过载。
当队列长度达到预定的最大值时，RED开始随机选择和丢弃部分数据包，这样可以提前检测拥塞并减少流量。
RED算法可以根据网络的需求进行调整，例如调整丢包概率和队列长度，以提供更好的网络性能。
2. 增量式RED（Incremental RED，iRED）：iRED是对RED算法的改进。
iRED使用流量计数器以及随机选择丢包的机制来判断网络拥塞情况。
iRED通过监控队列长度和流量大小的变化来调整丢包概率，以此提供更好的拥塞控制。
3. Proportional Integral (PI) Controller：PI控制器也是一种常见的AQM算法。
它基于控制系统理论中的PID控制器原理，并使用积分和比例控制来调整队列长度。
PI控制器根据网络拥塞程度，使用增加和减少队列长度的操作来控制网络中的流量。
这种方法可以根据实际情况进行调整，以提供较好的拥塞控制。
4. 预测性拥塞控制（Predictive Congestion Control，PCC）：PCC是一种基于机器学习的AQM算法。
它使用历史数据和机器学习模型来预测网络拥塞的发生。
PCC算法可以通过监控网络中的拥塞情况并调整流量来避免拥塞发生。
这种方法可以提前预测拥塞，并在拥塞前采取适当的措施，以减少延迟和数据包丢失。
5. 可变比重RED（Variable Packet Size RED，VPSRED）：VPSRED是一种改进的RED算法，它考虑了数据包的大小对拥塞控制的影响。
几种典型主动队列管理算法
几种典型主动队列管理算法主动队列管理（Active Queue Management，AQM）算法是网络中用于解决拥塞问题的一种方法。
AQM算法旨在控制路由器或交换机上的队列长度，以避免拥塞的发生。
下面将介绍几种典型的AQM算法。
1. Drop Tail：Drop Tail是最简单的AQM算法之一、在Drop Tail算法中，当队列满时，路由器直接丢包。
这种算法简单直接，但它容易造成拥塞窗口的剧烈抖动。
当队列满时，所有的数据包都会被丢弃，这会导致发送端认为网络出现了丢包并将窗口减小，从而在网络中形成一个震荡现象。
2. Random Early Detection（RED）：RED算法是一种基于概率的AQM算法。
在RED算法中，当队列的长度超过一定阈值时，根据概率丢弃数据包。
这个概率与队列长度成正比，队列越长，丢包的概率越高。
这种算法可以有效地控制队列的长度，并且能够根据网络的负载进行自适应调整。
3. Weighted Random Early Detection（WRED）：WRED算法是RED算法的扩展版本，它引入了一定的服务质量（Quality of Service，QoS）机制。
WRED算法根据数据包的不同类型和优先级来设置不同的阈值和丢包概率。
例如，对于延迟敏感的数据包，WRED算法可以设置较低的阈值和较低的丢包概率，以保证其及时传输。
4. Random Early Detection with Classic Marking (REM)：REM算法是RED算法的改进版本，它引入了经典标记机制。
在REM算法中，当队列的长度超过一定阈值时，数据包不会立即被丢弃，而是通过一个标记机制标记为丢失概率大于零的数据包。
发送端接收到标记的数据包后，将根据标记的概率进行重传。
这种算法可以减少重传次数，提高网络的性能。
5. Controlled Delay：Controlled Delay算法是一种以减少延迟为目标的AQM算法。
Ad hoc网络PID主动队列管理
Ad hoc网络PID主动队列管理
胡为民;陈亮
【期刊名称】《南通纺织职业技术学院学报》
【年(卷),期】2008(008)002
【摘要】主动队列管理(AQM)的PI算法可以有效控制Ad hoc网络的瓶颈节点队列长度,但随着移动节点的增加.PI算法的调节时间明显增加,进而影响控制效果.而PID的微分环节可以加快系统稳定过程.从而收到更好的控制效果.针对Ad hoc网络的多跳、时滞特点,根据时延无线网络中的稳定性特点,分析、整定了PID控制器,分别给出了大时延下PI和PID算法的队列长度控制效果.通过Matlab和NS2仿真.相比PI算法,PID可减少调节时间,提高了队列控制效果,为进一步优化、设计基于控制理论的主动队列管理算法提供了基础.
【总页数】4页(P6-9)
【作者】胡为民;陈亮
【作者单位】南通纺织职业技术学院,南通,226007;南通纺织职业技术学院,南通,226007;南京理工大学计算机学院,南京,210094
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
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波;徐家品
3.应用于Ad Hoc网络TCP/AQM的神经网络PID控制器优化设计 [J], 胡为民;陈亮
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5.一种新的Ad Hoc网络主动队列管理方法 [J], 段谟意
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主动队列管理中PID控制器的解析设计方法
主动队列管理中PID控制器的解析设计方法
杨吉文;顾诞英;张卫东
【期刊名称】《软件学报》
【年(卷),期】2006(17)9
【摘要】主动队列管理(active queue management,简称AQM)是一个非常活跃的研究领域.作为对终端系统上拥塞控制的一种补充,中间节点的AQM策略在保证较高吞吐量的基础上可以有效地控制队列长度.基于TCP/AQM控制论模型,使用H(最优控制理论,以解析的方法设计了新型PID控制器.该控制器的特点是:控制器由单参数调节,可以方便地实现系统标称性能和鲁棒性能的折衷.通过NS仿真并与其他算法相比较,验证了所设计的控制器的性能.结果显示,所设计的PID控制器性能优于其他算法.
【总页数】7页(P1989-1995)
【作者】杨吉文;顾诞英;张卫东
【作者单位】上海交通大学,自动化系,上海,200030;上海交通大学,自动化系,上海,200030;上海交通大学,自动化系,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
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一种基于gCHOKe公平性的主动队列管理算法
第２ ４ 卷
２ ０ １ ４年 ３月
第３ 期
计 算 机 技 术 与 发 展
ＣＯＭＰ Ｕ ｒ ＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰ ＭＥＮ Ｔ
Ｖｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ． ３ Ｍａ ｒ ． Ｋ ｅ 公 平 性 的 主动 队列 管理 算 法
公 平 的。
关键词 ： 拥 塞控制 ； 主动 队列管 理 ； Ｂ Ｌ Ｕ Ｅ； ｐ ｇ Ｃ Ｈ Ｏ Ｋ ｅ
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ０ １ ． ６ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ３ — ６ ２ ９ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ６ ３ — ０ ４
ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｎｄ ａ ｈｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｏ ｆ ｐ ｕ ｎ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｎｏ ｎ— ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗｓ ａ ｌ ｅ ｈｅ ｔ ｃ ｒ ｕ ｃ ｉ ａ ｌ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｏ ｅ ｎ ｈ ｎｃ ａ ｅ ｈｅ ｔ ｆ ａ ｉ ｎｅ ｒ ｓ ｓ ｏ ｆ ｌｇ ａ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ， ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｐ ｐ ｍｘ ｉ —
黄 亮亮 ， 周 井泉 ， 李 琴
参数自适应的随机早期检测算法
参数自适应的随机早期检测算法
姚亮;卢辉斌
【期刊名称】《计算机工程与设计》
【年(卷),期】2008(29)1
【摘要】主动队列管理(AQM)算法是最近网络拥塞控制研究的重点,随机早期检测(RED)算法作为 AQM 算法的代表受到广泛的关注.分析了随机早期检测算法的原理和局限性,针对 RED 算法参数配置困难的问题,提出了一种参数自适应的随机早期检测算法.该算法能够根据网络负荷的变化动态的调节 RED 算法的参数,从而能够在突发业务下对拥塞做出及时有效的反应.通过仿真表明该算法能够有效地降低丢包率,降低数据包排队延时,提高了 RED 算法的网络适应性.
【总页数】3页(P86-88)
【作者】姚亮;卢辉斌
【作者单位】燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北,秦皇岛,066004
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.01
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【计算机科学】_主动队列管理(aqm)_期刊发文热词逐年推荐_20140724
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
ห้องสมุดไป่ตู้
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 主动队列管理 队列长度 比例求和微分 无线自组网 拥塞控制 二阶差分 ared
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 用户公平 拥塞控制 异质流网络 同质流网络 公平性 主动队列管理 rtt歧视
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
科研热词 重尾分布 输入流稀疏化 计算机网络 自相似业务流量 网络模拟 网络拥塞控制 拥塞控制 性能评价 主动队列管理(aqm) 主动队列管理 ns2 gix/m/1/n
科研热词 自适应 稳定裕度 神经网络 流媒体 拥塞控制 大时滞网络 卡尔曼滤波器 单神经元 主动队列管理(aqm) 主动队列管理
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2009-11-18
16/27
基于经典控制理论的AQM
• TCP流量控制模型及其线性化
• 其中，W(t)是拥塞窗口尺寸，R(t)表示往返 时间，p(t)表示分组丢弃/标记概率，q(t)表 示队列长度，N(t)表示TCP会话数，C(t)表 示链路容量。
2009-11-18 17/27
基于经典控制理论的AQM
AQM BLUE 控制模型 On-off 特点 动态微调报文丢弃概率
RED
DRED AVQ
I
I P
加权平均队列长（min,max）
常值队列长度作为控制目标 维持一个虚拟队列并调整
PI
PAQM
2009-11-18
PI
PID
控制目标，更快，无稳差
获控制量变化趋势早期修正
20/27
新型控制理论的AQM
• 基于鲁棒控制理论的AQM • 基于智能控制理论的AQM • 作用：
2009-11-18
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TCP/IP下的拥塞控制
拥塞控制
TCP源端拥塞控制
IP链路拥塞控制
①慢启动 ②拥塞避免 ③快速重传④快速恢复
①队列管理 ②分组调度
被动
Tahoe Fast Reno Sack HSTCP XCP
主动
Red AVQ
DRed PI
WRed PID
BLUE PAQM
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Vegas TFRC
2009-11-18
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随机早期检测(RED)算法
• RED算法采用简单的控制机制，很容易实现，因此也得到 了业界的广泛认可和支持； • 但是RED算法还存在许多问题： ①参数设计和网络状况对RED算法的性能有很大的影响， 在特定网络负载状态下依然会导致队列震荡、吞吐量降低 和延迟抖动加剧； ②RED算法还存在公平性和稳定性问题。 • 针对RED 算法的缺陷，已经提出许多相关的改进方案（ WRED，FRED，Stabilized-RED和 Adaptive RED 等） 和新的主动队列管理算法（PI 控制器，REM 和AVQ 等）， 它们的主要思路是根据网络中负载的情况对标记或丢失概 率进行动态调整。
• 拥塞反馈信号的形式，主要包括丢弃分组和标记 分组 • RFC3168 提出ECN (Explicit Congestion Notification)规范，主要工作原理是：在连接建立 阶段，TCP发送端、接收端和路由器声明支持 ECN；当网络发生拥塞时，路由器设置TCP 分组 头部的拥塞标记位；接收端检测到拥塞标记位后， 设置确认分组的相应位；发送端根据拥塞标记位 判断网络拥塞，并增减拥塞窗口
2009-11-18 2/27
TCP/IP下的拥塞控制
• TCP /IP协议是目前互联网中使用最广泛的 传输协议。根据MCI 的统计，总字节数的 95%和总分组数的90%使用TCP 协议传输。 围绕着TCP /IP协议的拥塞控制一直都是互 联网的研究热点。 • TCP源端拥塞控制 • IP链路拥塞控制
• 随着网络规模的急剧膨胀新出现的网络应用对服 务质量的要求越来越高在路由器中采用AQM 机制 显得尤其重要 • 1998 年IETF 建议在路由器中采用AQM 机制在国 际上掀起了研究AQM 机制的高潮 • 至2005 年8 月止以AQM 为关键词，在IEEE 的数 据库中可以检索到文章124 篇，Web of Science 数据库(SCI,SSCI,AHCI)中可以检索到文章624 篇， 在EI 数据库中可以检索到文章492 篇主动队列管 理成为网络研究的热点之一
2009-11-18 8/27
主动队列管理算法分类
• 发现拥塞之后处理方法的不同可以将主动 队列算法分为两类：
(1)通过对数据包打标记(比如说ECN，通过这种方 法实现的主动队列算法主要有BlUE以及针对BlUE 的改进算法SFB (2)通过丢弃数据包，通过这种方法实现的主动队列 算法比较多，主要有RED，FRED，CHOKe， CSFQ，PFED等
2009-11-18
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随机早期检测(RED)算法
• 随机早期检测(RED)算法是最著名的AQM算法之一，它由 AQM创始研究人员Floyd教授提出，并且是IETF推荐的标 准AQM算法。RED是一种早期丢弃技术，即在网络发生 拥塞的早期就丢弃部分分组数据，改善队列的动态特性， 提高网络的利用率。 • 与弃尾算法相比，RED为队列管理增添了两种新机制：(1) 分组丢弃不是等到队列缓存溢出时发生，而是根据队列长 度利用概率判定机制预先丢弃部分分组来预防可能发生的 拥塞；(2)判定分组丢失概率依据的队列长度是平均队列长 度，而不是即时队列长度，这在一定程度上可以吸收部分 短暂的突发流量。
几种AQM与ECN对网络的影响
把端到端的响应时间作为评价标准， 则有如下的结论：
• 没有利用ECN机制，运行在比特模式下的ARED是最好的设计方案， 但是运行在分组包模式下时却是最差的设计，甚至比DT还要差。 • 利用ECN机制的PI与REM是最好的设计，但是不利用ECN的话， REM的性能会比DT还要差。 • ECN对ARED没有什么帮助，即使改进ECN对ARED性能的提升也不 高，ARED最好的性能发挥在比特模式下。 • AQM对网络性能的影响是否显著决定于RTT的抖动幅度，当RTT跳跃 的很大时，AQM于ECN对网络的响应时间性能的影响降低。 • 对特定的网络，需要采用合适的AQM，才能在网络高负荷时仍然能获 得很好的网络性能。
2009-11-18
被动队列管理的缺陷
• 算法： ①弃尾队列管理算法（DT） ②随机丢弃管理算法（RD） ③从前丢弃管理算法（DF） • 缺陷： • 1.死锁问题：同步定时，数据独占队列 • 2.满队列问题：队列充满，延时 • 3.全局同步问题：TCP流自适应特性
2009-11-18 5/27
发展趋势
2009-11-18
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随机早期检测(RED)算法
• 平均队列长度： RED队列管理策略根据分组到达或固定的 时间间隔，先采用指数加权滑动平均计算 Avg=(1-Wq) ×Avg+Wq×q 其中， Avg表示平均队列长度，q表示瞬时 队列长度，Wq是一个加权系数，同时也是 一个时间常数
2009-11-18 11/27
2009-11-18 14/27
基于控制理论的AQM
• 随着对 TCP 协议运行机制认识的深入和计 算机网络建模技术的发展，将控制理论应 用于主动队列管理机制的设计成为可能并 且已经成为目前研究的热点。 • ①基于经典控制理论的AQM • ②基于鲁棒控制理论的AQM • ③基于智能控制理论的AQM
2009-11-18 25/27
总结
• 由于 Internet传输的突发性和弃尾队列管理方法的不足， IETF建议在路由器中采用主动队列管理机制以克服DT的 缺陷，并且在尽力服务网络中提供低延迟低丢失率的服务 • 尽管多数路由器支持RED等算法例如Cisco的多数路由器 部署了RED的变种算法Cisco’s WRED，但是AQM机制在 路由器的默认配制中都是禁止的，因此目前为止AQM的 应用情况仍然很难估计。 • 自 1998 年以来研究者提出了近百种的AQM 算法，尽管 该领域的研究已经持续了几年，但仍然没有获得广泛认可 和应用的方案，仍然存在许多尚未充分展开和尚待解决的 问题，包括流量模型稳定性、多AQM 协同工作等理论难 题，以及在无线网络区分服务组播等环境下的应用问题都 需要研究者的进一步关注
2009-11-18 15/27
基于经典控制理论的AQM
• 2000 年Vishal Misra等建立了TCP 与队列 变化的非线性微分方程模型 • 2001 年C.V.hollot 采用小信号线性化方法 将该模型线性化，并且导出了线性模型的 传递函数，在此基础上分析了RED 的参数 设置并设计了比例积分(PI)控制器。
随着被控对象越来越复杂，基于精确模型的控制方法在面 对复杂控制系统的不确定性和复杂性的时候往往力不从心。 主要是解决经典控制理论难以解决的复杂系统的控制问题， 针对的研究对象是不确定的模型、高度的非线性、复杂的 任/27
基于控制理论的AQM
优越性：
• (1)设计方法更加科学，参数配置变得容易 • (2)算法的性能对网络条件的敏感性降低 • (3)大部分基于控制理论设计的AQM 机制 的复 杂程度与RED 相当，实现简单，适用于高速网 络 • (4)具有明确的控制目标，消除了队列长度与负 载的耦合，减小了队列振荡
主动队列管理
(Active Queue management)
周鑫
2009-11-18
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历史背景
• 1986 年10 月，由于拥塞崩溃的发生，美国 Lawrence Berkeley Laboratory 到UC Berkeley 的数据吞吐量从32Kbps 跌落到 40bps。 • 研究者从此认识到了拥塞控制机制对保证 互联网的稳定性具有十分重要的作用。因 此，在网络拥塞控制领域内开展了大量的 研究工作，使拥塞控制成为计算机网络研 究领域的热点问题。
随机早期检测(RED)算法
• 丢弃/标记概率：
采用平均队列长度Avg 作为拥塞测度，并设 定两个控制阈值minth 和maxth，maxp 是预先 设置的分组丢弃概率，Pb 为当前分组丢弃 概率的计算值
2009-11-18 12/27
随机早期检测(RED)算法
• 若Avg小于minth ，则没有包需要丢弃；当 minth <Avg < maxth时，计算出概率Pb ，并以 此概率丢包；当Avg > maxth时，所有的包都 被丢弃 。
2009-11-18 6/27
主动队列管理
• AQM 机制的主要思想： 网络节点在缓冲区没有溢出之前，根据网 络的拥塞状况，以一定的概率丢弃报文或 者通知拥塞，端节点调整速率缓解拥塞 • AQM 机制的主要性能指标，包括链路利用 率、报文丢弃率以及平均队列长度等