Internet的擁塞控制已經(jīng)成為當前計算機網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個熱點。網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生來源于網(wǎng)絡(luò)資源和流量分布的不均勻，擁塞使得數(shù)據(jù)包在傳輸過程中時延增大，丟包率上升，吞吐量下降，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降。近年來，應(yīng)用控制理論方法來處理網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制問題越來越受到人們的關(guān)注。

    RED算法是IETF推薦使用的的AQM算法

　　（1）基本思想：通過監(jiān)控路由器輸出端口隊列的平均長度來探測擁塞，一旦發(fā)現(xiàn)擁塞逼近，就隨機地選擇連接來通知擁塞，使他們在隊列溢出導(dǎo)致丟包之前減小擁塞窗口，降低發(fā)送數(shù)據(jù)速度，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。由于RED是基于FIFO隊列調(diào)度策略的，并且只是丟棄正進入路由器的數(shù)據(jù)包，因此其實施起來也較為簡單。

　　（2）隨機早期檢測的設(shè)計目標：

　　1）化數(shù)據(jù)包丟失率和排隊延遲；

　　2）避免全局同步現(xiàn)象；

　　3）避免對突發(fā)業(yè)務(wù)的偏見：網(wǎng)絡(luò)中含有大量的突發(fā)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的“去尾”算法對突發(fā)業(yè)務(wù)有很大的偏見。偏見就是在采用“去尾”算法的路由器中，如果某個流的突發(fā)性越高，則當該流的數(shù)據(jù)包進入隊列時越容易造成隊列溢出，從而導(dǎo)致連續(xù)地丟棄大量的該流的包；

　　4）即使在缺乏傳輸層協(xié)議有效配合的情況下，算法也能控制平均隊列長度，從而避免擁塞。為了達成以上目標，RED采用了基于時間的平均隊列長度，并且隨機地選擇正進入路由器地分組進行丟棄。這種方法能被有效地實施而無需在路由器中維持每個流（per-flow）的狀態(tài)信息。

　　（3）RED算法主要分為兩個部分：首先是計算平均隊列長度，以此作為對擁塞程度的估計。另一個就是計算丟棄分組的概率。

　　（4）算法優(yōu)缺點：1993年， Floyd 和Jacobson就提出了RED,當時的主要目的是克服“早期隨機丟棄”（Early Random Drop , ERD）網(wǎng)關(guān)偏袒突發(fā)業(yè)務(wù)而造成的不公平問題。 RED為隊列管理增添了兩種新機制，其一，不是等隊列全滿后再丟棄到來的分組，而是利用概率判定機制事先丟掉部分分組來預(yù)防可能發(fā)生的擁塞；其二，通過平均隊列而非即時隊列調(diào)整分組丟棄概率，由此來盡可能地吸收部分短暫的突發(fā)流量。RED算法的性能敏感于設(shè)計參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)狀況，在特定的網(wǎng)絡(luò)負載狀況下依然會導(dǎo)致多個TCP的同步，造成隊列震蕩，吞吐量降低和時延抖動加劇。RED算法的公平性和穩(wěn)定性也存在問題。自RED被首次提出來之后，它的參數(shù)配置就是一個沒有徹底解決的問題。

　　但研究及實踐均發(fā)現(xiàn)， RED算法的魯棒性和穩(wěn)定性并不十分理想， 其性能對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計參數(shù)及運行狀態(tài)很敏感。另外，由于TCP鏈路的物理差別，傳播時延也有較大的波動。但已有的大多數(shù)算法和策略都沒有充分考慮大時滯對AQM穩(wěn)定性的影響，從而導(dǎo)致了大時滯網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的劇烈的系統(tǒng)震蕩，降低了鏈路利用率。現(xiàn)代時滯系統(tǒng)分析技術(shù)基于嚴格的理論推導(dǎo)與證明，將時滯分析技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究是可行的，并且為深入研究網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供幫助。

　　本文基于TCP/AQM流體動力學模型，從H∞控制理論的觀點出發(fā)，將TCP流個數(shù)的擾動作為網(wǎng)絡(luò)負載來考慮，基于LMI方法設(shè)計了具有時滯反饋的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞擁塞控制器，由控制器得到的數(shù)據(jù)包分組丟棄概率的變化不僅與隊列的變化率有關(guān)，還與窗口的變化率有關(guān)，并進一步說明該控制器為基于平均隊列長度估計的預(yù)測控制器。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器在高速網(wǎng)絡(luò)中具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

　　1 TCP/AQM反饋控制系統(tǒng)

　　Misra等人基于流體動力學提出了TCP/AQM系統(tǒng)模型[1]，用一對非線性微分方程表示：

　　則TCP/AQM系統(tǒng)模型可化為如下形式的反饋控制系統(tǒng)：

　　證明：

　　（1）如果定理中LMI成立，則系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的；由式（9），利用Schur補性質(zhì)可得出式（7），從而由引理1可證得無擾動時式（4）漸近穩(wěn)定。

　　則定理2得證。另外由于式（15）為LMI，因此將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)代入即可求解。

　　2.3  H∞網(wǎng)絡(luò)擁塞控制器的參數(shù)估計

　　當網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，由系統(tǒng)參數(shù)之間的相互關(guān)系，通過解LMI式（15）及式（16）可得出k和γ的值，此時AQM/TCP系統(tǒng)的H∞擁塞控制器的形式為：

    3 性能仿真

　　隊列長度變化及窗口大小的變化見圖1和圖2，可以看出，所設(shè)計的擁塞控制器在大時滯環(huán)境下比RED算法獲得了更穩(wěn)定的隊列變化；并且窗口變化平緩，鏈路利用率高，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

　　針對大多數(shù)傳統(tǒng)AQM算法和策略沒有充分考慮大時延對AQM穩(wěn)定性影響的問題，本文基于LMI方法設(shè)計了一種H∞網(wǎng)絡(luò)擁塞控制器，由控制器得到的數(shù)據(jù)包分組丟棄概率的變化不僅與隊列的變化率有關(guān)，還與窗口的變化率有關(guān)，并進一步說明該控制器為基于平均隊列長度估計的預(yù)測控制器。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器在高速網(wǎng)絡(luò)中具有較高的鏈路利用率和很好的隊列穩(wěn)定性，并且具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性能。