互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)動力學(xué)行為分析及控制研究.pdf

1、由于計算機(jī)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，以TCP/IP為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)逐步普及并得到了巨大的發(fā)展。然而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的迅速擴(kuò)大、用戶數(shù)量的急劇增加和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類型的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。網(wǎng)絡(luò)擁塞的直接后果是整個網(wǎng)絡(luò)性能的下降，包括數(shù)據(jù)包丟棄率增大、時間延遲增加，以及吞吐量下降等，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。網(wǎng)絡(luò)擁塞控制是改善網(wǎng)絡(luò)性能、增加網(wǎng)絡(luò)魯棒性和提高服務(wù)質(zhì)量(QoS)的主要手段。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制包括兩方面：基于源端的TCP擁塞控制機(jī)制和

2、基于鏈路端的隊列管理機(jī)制。這兩方面相互影響、相互作用，成為解決目前互聯(lián)網(wǎng)擁塞問題的主要途徑之一，形成了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制等學(xué)科交叉的一個新的研究熱點。 本文采用非線性動力學(xué)分析方法來研究互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)中存在的復(fù)雜非線性動力學(xué)現(xiàn)象，如分岔(bifurcation)、混沌(chaos)等，并用成熟的分岔、混沌控制方法來抑制互聯(lián)網(wǎng)中的這些非線性現(xiàn)象。相對于傳統(tǒng)的基于隨機(jī)理論和排隊論的方法，非線性動力學(xué)分析可以得到更加精確的

3、結(jié)論，這對于互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)的建模、改進(jìn)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制算法和探索新的適合未來高帶寬時延乘積網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制機(jī)制都非常關(guān)鍵，具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價值。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處包括以下幾個方面： (1).提出一種簡化互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)離散模型動力學(xué)行為控制方法。當(dāng)源端既有TCP流又有UDP流、鏈路端采用RED算法時，分析了該模型的分岔、混沌現(xiàn)象，并采用標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展時延反饋控制(TDFC)方法來控制系統(tǒng)狀態(tài)或者參數(shù)，從而達(dá)到穩(wěn)

4、定系統(tǒng)平均隊列長度的混沌行為的目的。進(jìn)一步，將該模型擴(kuò)展到源端是TCPWestwood流、鏈路端采用RED算法，分析得到了TCPWestwood/RED擁塞控制的動力學(xué)模型，并利用該模型分析了系統(tǒng)在不同參數(shù)變化時存在倍周期分岔和混沌行為。 (2).提出互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)頻閃模型混沌行為控制的混合控制方法。采用一種既包含狀態(tài)反饋又包含參數(shù)攝動的混合控制策略來控制頻閃模型的混沌軌道，將其穩(wěn)定到不動點。而且，獲得了包含兩條擁塞鏈路的串

5、聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制系統(tǒng)頻閃模型，并研究了兩個瓶鏈路之間的相互影響，對其系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行控制。結(jié)果表明，只要對關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行控制，就可以穩(wěn)定整個系統(tǒng)。 (3).證明互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)對偶(Dual)模型存在霍普夫分岔行為，并提出一種控制其分岔行為的控制方法。理論分析表明，當(dāng)分岔參數(shù)(通信延遲)超過某一臨界值，系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，并且發(fā)生霍普夫分岔。同時，利用攝動法(PM)，確定了該分岔的方向和分岔周期解的穩(wěn)定性。其次，采用時間延遲反饋的方法有

6、效地推遲了系統(tǒng)霍普夫分岔的發(fā)生，擴(kuò)大了系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)間。 (4).分析TCP/RED擁塞控制系統(tǒng)流體流模型(FFM)當(dāng)通信延遲變化時存在的霍普夫分岔現(xiàn)象，提出一種簡單的控制器來擴(kuò)大系統(tǒng)的穩(wěn)定性。理論分析和仿真實驗表明，當(dāng)系統(tǒng)的通信延遲超過某一臨界值，系統(tǒng)將出現(xiàn)霍普夫分岔行為，即系統(tǒng)狀態(tài)由穩(wěn)定的平衡點變?yōu)闃O限環(huán)。并且，霍普夫分岔的方向和周期解的穩(wěn)定性可以通過中心流形定理(CMT)和正規(guī)形理論(NFT)來確定。進(jìn)一步，通過在系統(tǒng)的一個