网络拥塞控制若干策略研究及稳定性分析

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自从互联网(Internet)诞生以来,网络资源和网络流量分布的不均衡使得拥塞问题一直困扰着其发展。伴随着网络规模的日益扩大和应用类型的丰富,网络拥塞也变得越来越严重。虽然实践证明拥塞控制机制能够有效防止拥塞崩溃的发生,但是TCP拥塞控制机制仍然面临着许多新的危机。因此,互联网的发展要求网络本身也必须参与到拥塞控制中去。目前,基于源端的TCP拥塞控制机制和基于网络端的拥塞避免机制两者相结合已经成为解决拥塞控制问题的主要途径之一,形成了计算机网络、通信与自动控制等几个交叉学科一个新的研究热点。   本文从不同角度提出了几种网络拥塞控制策略,研究的内容和结论如下:   在单瓶颈链路下将对策论中的激励Stackelberg策略引入到网络系统模型中,再从用户的最大效用函数的角度出发,使用户速率达到最佳,同时又防止用户过度占有网络资源,在一定的程度上避免了网络的拥塞。接着以串联链路网络为对象,将对策论的思想应用到定价策略中,假设服务管理者为主方,用户为从方并且为非合作的,则在不周的每单位流量价格下将存在一个独立Nash平衡点。文章讨论了Nash平衡点为正时价格应满足的取值范围,以数值例子说明合理的价格对服务管理者和用户都具有重要的意义。   运用市场的观点,以用户的最优速率为依据引入了网络供应函数和用户的需求响应函数,讨论了供求平衡的稳定性条件。然后结合网络市场的供求关系,研究了基于Nash平衡点的网络收益优化策略,以Nash平衡点作为供求平衡点,从而确定了相应的价格,进而得出Nash平衡态下用户的速率和网络的收益,结果表明合理的价控策略能够起到激发用户合理地使用网络资源,同时给管理者带来最优收入,达到抑制拥塞的目的。   针对网络中多个用户的传播延时,通过改进由Kelly等最初提出的离散控制策略,改变系统中的相关参数,通过引入最大-最小公平性的概念建立对称的Jacobian矩阵来证明系统在任意延时下是渐进稳定的,同时算法也保证了系统收殓的快速性和用户的公平性,该算法对高速网络具有重要意义。   为了改进队列的拥塞控制性能,基于Kelly比例公平模型,分别设计了线性和终端滑模主动队列管理(AQM)控制器。终端滑模AQM算法,通过设计一个特殊的非线性的终端滑模面使路由器中的队列长度能够在有限的时间内到达期望值,并给出了这一时间上界的具体表达式。仿真结果表明所设计的滑模AQM控制器能够显著提高路由器中队列长度的拥塞控制性能。   通过对近似流体的网络模型分析了由用户速率方程和队列延时方程所组成的对偶算法,建立Lyapunov函数分别在考虑往返传播延时和不考虑往返传播延时的情况下分析了系统的全局稳定性,得出了使系统稳定的延时上界。   最后对全文作出总结,并提出了下一步研究的方向。  
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