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Control de congestión mejorado del algoritmo RED utilizando un proceso de decisión de Markov

Algoritmo AQM

La configuración predeterminada para el trabajo del algoritmo AQM es el algoritmo RED. El inicio de la congestión en rojo depende del tamaño promedio de la cola (media), dos umbrales (\(min_{th}\) Y el \(máx_{th}\)) y máxima probabilidad de disminución (\(max_p\)). Cada paquete llega a la cola del enrutador; El algoritmo calcula la media utilizando un promedio ponderado de promedio móvil exponencial (EWMA) como un filtro de paso bajo, que se muestra en la ecuación. (1) De la siguiente manera:

$$ \ iniciar {alinear} promedio = \ izquierda (1-w_q \ derecha) avg + w_qq \ final {alinear} $$

(1)

dónde \(w_q\) es el peso de la cola y q es el tamaño de la cola actual. Si el valor medio es \(min_{th}, el algoritmo comienza a marcar los paquetes para que lleguen a la cola del enrutador utilizando el aviso de congestión explícito (ECN) proporcionado en TCP/IP. Por lo tanto, para reducir la tasa de transmisión, la probabilidad de caída de P se puede calcular con base en la ecuación. (2) De la siguiente manera:

$$ \ start {alinear} P = max_p (avg-min_{th}) / (max_{th} + min_{th}) \end {align} $$

(2)

El algoritmo RED comienza a descartar todos los paquetes entrantes cuando excede el promedio \ (máximo \) Para gestionar la congestión de colas. Las desventajas de RED son la respuesta lenta a la congestión y la dificultad en el ajuste de parámetros. Por lo tanto, estas fallas hacen que el algoritmo funcione incorrectamente cuando diferentes aplicaciones y servicios usan diferentes velocidades de datos. GRED tiene tres valores de umbrales (\ (minuto \)Y el\ (máximo \) y doble \ (máximo \)) para reducir la curva de regresión de la probabilidad de caída. El algoritmo propuesto usó tres umbrales como en GRED y el valor dinámico de \(w_q\) Fue seleccionado en base al proceso de Markov.

proceso de Markov

MDP se basa en una combinación de (\(Calle\)Y el \(en\)Y el \(r_t\)R)17 Con una probabilidad de transición para determinar la acción a tomar para un país en particular, lo cual se puede ver en la ecuación. (3) De la siguiente manera:

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$$\begin{align}P(s_{t+1}\vert s_t,a)=P(s_{t+1}=j\vert s_t=i,a=k)\end{align}$$

(3)

dónde \(Calle\) Y el \(s_{t+1}\) A indica el estado actual y el estado siguiente, respectivamente, mientras que a indica que se debe realizar una acción. yo Y el y Puede ser 1,2,3,… que representan los estados, donde y es el próximo país y yo es el estado actual yk puede ser 1,2,3,… para indicar la acción realizada.

\(r_t\) Es la recompensa (retorno) del entorno al agente después de aplicar la acción al estado actual, como se muestra en la ecuación. (4), esta recompensa puede ser máxima o mínima. En este negocio, la recompensa es el número mínimo de paquetes caídos de la siguiente manera:

$$\begin{align} R_t = \sum _{i = t}^{\infty} r_{i} = r_t + r_{t+1} + r_{t + 2} + … \end{align } $$

(4)

MDP incluye factor de descuento \(\gama\), que tiene un valor entre 0 y 1 para dar peso a las recompensas futuras. En este estudio, el valor de \(\gama\)Incluir = 0 solo la recompensa inmediata sin incluir las recompensas futuras, que se muestran en la ecuación. (5) De la siguiente manera:

$$ \ start {align} R_t = r_t + \ sum _{i = t + 1} ^{\infty}\gamma ^i r_i \end{align}$$

(5)

Para configurar el MDP en el algoritmo RED, es necesario considerar la longitud promedio de la cola, la media, como un estado y el tipo de paquetes descartados como una acción. Suponga cuatro conjuntos de estados S =\(s_1, s_2, s_3, s_4 \). entonces tenemos un archivo \ (4 \ veces 4 \) La matriz de probabilidad de transición que se muestra en la ecuación. (6). \(s_1\) Promedio del estado TCP promedio de inicio lento por debajo del límite inferior \((0 < promedio < min_{th})\)Y el \(s_2\) Se refiere al estado promedio entre \(min_{th}\) Umbrales y medios umbrales \ ((min_{th} Se refiere al caso en que la media está entre la mitad del umbral y por debajo \(max_{th} ((min_{th} + max_{th})/2Y el \(4S\) Se refiere al caso en que la media es mayor que \(máx_{th}\) y menos del doble \(máx_{th}\) \ ((max_th. Suponga que hay tres conjuntos de acciones A =\ (a_1, a_2, a_3 \)dónde \ (a_1 \) Representa un paquete que no se descarta, mientras que \ (a_2 \) Y el \ (a_3 \) Denotan caída no forzada y caída forzada, respectivamente, de la siguiente manera:

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$$\begin{align}P_{ij}=\begin{bmatrix}P_{00}&{}P_{01}&{}P_{02}&{}P_{03}\\P_{10}&{ } P_{11} & {}P_{12} & {}P_{13}\\P_{20} & {}P_{21} & {}P_{22}&{}P_{23}\\P_{ 30} y {} P_{31} y {}P_{32} y {}P_{33}\\\end{bmatrix}\end{align}$$

(6)

Diseño y Metodología

En este estudio se usó la topología de red dumbbell punto a punto diseñada por NS3 con implementación ON-OFF, como se muestra en la Figura 1. En el estudio actual, la red tiene cinco nodos en cada lado izquierdo y derecho inicialmente y luego aumentó en 5 nodos En cada simulación, se aproximan hasta 200 nodos, el origen y el destino, respectivamente, y los dos nodos en el medio que reflejan el enrutador en la red central crean un cuello de botella. La Figura 1 muestra que los nodos de transmisión no enviaron ningún paquete, mientras que en la Figura 2, el enlace de cuello de botella está atascado y se inicia el procedimiento de eliminación de paquetes.

forma 1

Topología con mancuernas punto a punto de NS3 antes de iniciar la simulación.

Figura 2
Figura 2

Topología de punto a punto con mancuernas NS3 después de 10 segundos de tiempo de ejecución.

Comienzo lento de TCP

TCP tiene un control de congestión predeterminado de cuatro etapas: inicio lento, evitación de congestión, retransmisión rápida y recuperación rápida.18. La fase de inicio lento permite que TCP informe la capacidad del enlace en la ruta de transición; Esto sucede al repetir el tamaño de la ventana para cada RTT para cada reconocimiento recibido. Si no se recibe acuse de recibo, el TCP indica que se ha producido una congestión y comienza la fase de prevención de la congestión; Después de eso, el tamaño de la ventana aumenta en uno para todos los reconocimientos exitosos. Por lo tanto, la lentitud del Protocolo de control de transmisión (TCP) comienza a aumentar exponencialmente en cada RTT, lo que significa que la congestión puede ocurrir en un corto período de tiempo.

Ajustar los parámetros del algoritmo.

Los valores por defecto en los parámetros del algoritmo RED son \(w_q\)= 0,002, \(min_{th}\)= 5, \(máx_{th}\)= 15, \(max_p\)= 1/502. En este estudio, la matriz probabilística de transición \(P_{ij}\) en la ec. (6) Calculado en base al peso de la cola \(w_q\). La ecuación (7) muestra la relación entre la tasa de carga y \(w_q\)además de su efecto sobre el valor medio2 como sigue:

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$$ \ start {align} avg = L + 1 + \ frac {(1-w_q)^{(L + 1)} – 1}{w_q}\end{align}$$

(7)

donde L representa la tasa de carga de los paquetes transmitidos. \(w_q\) Actúa como una constante de tiempo en un filtro de paso bajo en el valor promedio de la cola, que refleja el tiempo de respuesta y el peso de la cola para los paquetes entrantes, como se muestra en la Figura 3. Por lo tanto, si \(w_q\) Demasiado grande, el algoritmo no filtra la congestión que apareció en poco tiempo, especialmente en el inicio lento de TCP, como se mencionó en la subsección anterior. si \(w_q\) Demasiado pequeño, la respuesta de congestión del algoritmo es demasiado lenta para reflejar el cambio en el tamaño de la cola, y un valor pequeño del peso de la cola es adecuado para la fase de inicio lento de TCP. En este estudio el valor inicial de \(w_q\) Establecer en cero e incrementar en 0.002 Cuando el estado medio cambia a otro estado, estos valores se establecen para administrar el incremento exponencial del flujo de inicio lento de TCP. La tabla 1 muestra el rango \(w_q\) utilizado en el algoritmo propuesto.

figura 3
figura 3

El efecto medio en función de \(w_q\) y tasa de descarga.

Tabla 1 Valor promedio basado en el estado de la longitud de la cola.

utilizando valores . \(w_q\), se obtiene la matriz de transición de probabilidad MDP, que se muestra en la ecuación. (6) De la siguiente manera:

$$\begin{align}P_{ij}=\begin{bmatrix}0 & {}0.002 & {}0.002 & {} 0.002 \\ 0.004 & {} 0 & {} 0.004 & {} 0.004 \\ 0.006 & { } 0,006 y {} 0 y {} 0,006 \\ 0,008 y {} 0,008 y {} 0,008 y {} 0 \\ \ end{bmatrix}\end{align}$$

(8)

La matriz diagonal establece un valor de cero, lo que significa que no hay cambios en el valor del peso de la cola si la condición es la misma. Los parámetros de red implementados se muestran en la Tabla 2:

Tabla 2 Valores de los parámetros del algoritmo implementado.
número A