一种减缓网络拥塞的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种减缓网络拥塞的控制方法。本发明专利技术包括如下步骤：步骤1，建立网络拥塞的状态空间模型；步骤2，提出系统矩阵表示方法；步骤3，设计角域条件解决系统状态受约束问题；步骤4，设计网络堵塞节点的状态反馈控制律。本发明专利技术通过约束控制、非线性控制设计等技术，实现对网络拥塞现象的有效控制，降低对缓冲区的空间占用，并合理分配各个缓冲区的存储空间资源，解决网络拥塞问题。

A Control Method for Reducing Network Congestion

【技术实现步骤摘要】
一种减缓网络拥塞的控制方法
本专利技术属于自动化
，提出了一种减缓网络拥塞现象的控制器设计方法。通过约束控制、非线性控制等技术，实现对网络拥塞现象的有效控制，降低对缓冲区的空间占用，可用于网络通信领域。
技术介绍
网络拥塞是网络通信过程中经常遇到的问题而且备受关注，许多网络通信都不同程度地受到这一问题的困扰。网络拥塞会造成信息传输延误，传输速度降低，甚至导致网络通信瘫痪。在拥塞期间，会出现数据丢失，时延增加，吞吐量下降，严重时甚至会导致“拥塞崩溃”。通常来说，有两类办法可以缓解网络拥堵现象：第一类是开环控制，即通过设计一个好的算法来避免拥塞发生。在进行拥塞控制时，不考虑网络的当前状态。第二类是闭环控制，即给予反馈机制，根据网络的当前状态来控制拥塞。导致网络拥堵的主要原因是分组交换网络中传送分组的数目太多。在网络通信量日益增加的时代，一旦遇到通信高峰期，在事先没有任何协商和请求许可机制的资源共享网络中，几个IP分组将同时到达路由器并期望经同一个输出端口转发。然而，不是所有分组可以同时接受处理，必须有一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。但此状况具有一定的持续性，当缓存空间被耗尽时，路由器会丢弃分组，造成数据丢失，甚至产生“拥塞崩溃”。这种持续过载的状态下，网络性能也将急剧下降。随着智能网络资源分配系统的引入，即采用先进的电子信息、通信、自动控制、计算机网络等技术，通过合理地控制、调度缓冲区，分配数据流到达时间，使得网络拥堵问题得到了明显改善。但是输出端口存储空间无限制的增加，会导致数据包转发超时。因此，本专利技术基于正系统反馈控制设计方法，可实现网络拥塞时节点存储空间调用的闭环控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前网络通信中常出现的网络拥塞现象，提供一种减缓网络拥塞的反馈控制设计方法。具体技术方案如下：一种减缓网络拥塞的控制方法，包括如下步骤：步骤1建立网络拥塞系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集储存转发节点变化数据，利用这些数据建立网络拥塞系统网络的状态空间模型，形式如下：其中，f(x(t))＝(f1(x1)，f2(x2)，...，fn(xn))T表示t时刻网络储存空间的状态，n表示数据流的信息类，u(t)∈Rm为t时刻缓冲区节点的状态，m表示缓冲区数据流的信息类，Rm为m维实列向量；A,B是传感器实时采集到的节点数据而组成的加权矩阵；考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设网络拥塞系统是一种正系统模型，满足A矩阵所有非对角线元素都非负，B≥0，“≥”是针对B矩阵中的每个元素，即B矩阵内所有元素都非负，σ(ti)表示当t∈[ti，ti+1)时，第σ(ti)个子系统在ti时刻被激活，在ti+1时刻离开。步骤2设计系统矩阵表示方法，由于网络缓存区节点资源使用情况的不确定性，提出多胞体不确定形式来表示系统的不确定性，具体方法是：利用传感器实时采集到系统矩阵顶点的一组数据，系统矩阵A,B→[A(t),B(t)]是一种多胞体型结构：其中，A(t),B(t)表示t时刻加权常数矩阵，n为正整数表示传感器采集的顶点矩阵的个数,p＝1,2,...,n,[Ap,Bp]代表矩阵A,B的第p个节点的系统矩阵。步骤3在现实生活中，由于存储转发节点的资源有限，因而设计网络缓存区节点资源是受约束的，具体方法是：其中，δp和为两个正数，p表示第p个网络节点，即系统在第p个节点的状态变化是被存储空间和带宽限定的。步骤4设计网络拥塞控制状态反馈控制律，具体步骤是：4.1构造一个线性余正类型Lyapunov函数形如：Vp(x(t))＝x(t)Tν(p)其导数为：其中，对于任意时刻t，ν(p)表示第p个n维实列向量且每个元素都为正数。4.2针对步骤2测量存在的多胞体不确定，使下列优化问题有解：若存在常数ζp,μ＞0,λ＞1，向量z(p)∈Rs，使得：ν(p)＞0,对任意(p，q)∈S×S，p≠q成立，n表示顶点矩阵的个数；T表示向量或矩阵转置，z表示一个s维实列向量且列中每个元素都小于零，“＞”，“≥”，“＜”，“≤”也是针对向量或矩阵中的单个元素大小关系；Ap,Bp在步骤2中定义，在步骤3中定义，vp在步骤5.1中定义，vp与vq一致，满足p,q∈{1,2,...,n}且p≠q；4.3依据步骤4.1所构造的Lyapunov函数及其导数，若步骤4.2优化问题有解，则多胞体闭环系统是稳定的，可得下列不等式关系：4.4依据步骤4.2所设计优化问题的条件，可得如下结果：4.5结合步骤4.3和步骤4.4中的优化问题中的条件，可得下列不等式关系：4.6综上步骤4.1至步骤4.5可得，网络拥塞控制律形式如下：本专利技术的有益效果如下：本专利技术法针对网络传输拥堵问题，建立了缓冲区节点资源的状态空间模型，构造了一个线性Lyapunov函数，设计了状态反馈控制器，有效利用了网络缓冲区，减少了拥塞现象。本专利技术方法基于正系统提出状态反馈控制器设计，减少交通拥塞现象。本专利技术采用状态反馈控制方法，对网络拥塞现象实施网络缓冲区资源的闭环控制。通过对缓冲区资源的的数据采集、模型建立、状态与约束控制、性能分析等手段，确立了一种减缓网络拥塞现象的状态反馈控制器设计方法，利用该方法可以缓解信息传输高峰造成的拥堵问题，在保证信息流不超时、不丢失的前提下，系统具有良好的运行效果。具体实施方式下面对本专利技术作进一步说明。本专利技术的减缓网络拥塞的控制方法，包括如下步骤步骤1建立网络拥塞系统的状态空间模型，具体方法是：首先采集储存转发节点变化数据，利用这些数据建立网络拥塞系统网络的状态空间模型，形式如下：其中，f(x(t))＝(f1(x1)，f2(x2)，...，fn(xn))T表示t时刻网络储存空间的状态，n表示数据流的信息类，u(t)∈Rm为t时刻缓冲区节点的状态，m表示缓冲区数据流的信息类，Rm为m维实列向量；A,B是传感器实时采集到的节点数据而组成的加权矩阵；考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设网络拥塞系统是一种正系统模型，满足A矩阵所有非对角线元素都非负，B≥0，“≥”是针对B矩阵中的每个元素，即B矩阵内所有元素都非负，σ(ti)表示当t∈[ti，ti+1)时，第σ(ti)个子系统在ti时刻被激活，在ti+1时刻离开。步骤2设计系统矩阵表示方法，由于网络缓存区节点资源使用情况的不确定性，提出多胞体不确定形式来表示系统的不确定性，具体方法是：利用传感器实时采集到系统矩阵顶点的一组数据，系统矩阵A,B→[A(t),B(t)]是一种多胞体型结构：其中，A(t),B(t)表示t时刻加权常数矩阵，n为正整数表示传感器采集的顶点矩阵的个数,p＝1,2,...,n,[Ap,Bp]代表矩阵A,B的第p个节点的系统矩阵。步骤3在现实生活中，由于存储转发节点的资源有限，因而设计网络缓存区节点资源是受约束的，具体方法是：其中，δp和为两个正数，p表示第p个网络节点，即系统在第p个节点的状态变化是被存储空间和带宽限定的。步骤4设计网络拥塞控制状态反馈控制律，具体步骤是：4.1构造一个线性余正类型Lyapunov函数形如：Vp(x(t))＝x(t)Tν(p)其导数为：其中，对于任意时刻t，ν(p)表示第p个n维实列向量且每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减缓网络拥塞的控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立网络拥塞的状态空间模型；步骤2、提出系统矩阵表示方法；步骤3、设计角域条件解决系统状态受约束问题；步骤4、设计网络堵塞节点的反馈控制律。

【技术特征摘要】
1.一种减缓网络拥塞的控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、建立网络拥塞的状态空间模型；步骤2、提出系统矩阵表示方法；步骤3、设计角域条件解决系统状态受约束问题；步骤4、设计网络堵塞节点的反馈控制律。2.根据权利要求1所述的一种网络拥塞控制和处理方法，其特征在于步骤1具体如下：首先采集储存转发节点变化数据，利用这些数据建立网络拥塞系统网络的状态空间模型，形式如下：其中，f(x(t))＝(f1(x1)，f2(x2)，...，fn(xn))T表示t时刻网络储存空间的状态，n表示数据流的信息类，u(t)∈Rm为t时刻缓冲区节点的状态，m表示缓冲区数据流的信息类，Rm为m维实列向量；A,B是传感器实时采集到的节点数据而组成的加权矩阵；考虑实际系统的正性，即x(t),u(t)始终是非负的，这里假设网络拥塞系统是一种正系统模型，满足A矩阵所有非对角线元素都非负，是针对B矩阵中的每个元素，即B矩阵内所有元素都非负，σ(ti)表示当t∈[ti，ti+1)时，第σ(ti)个子系统在ti时刻被激活，在ti+1时刻离开。3.根据权利要求2所述的一种网络拥塞系统控制和处理方法，其特征在于步骤2具体如下：利用传感器实时采集到系统矩阵顶点的一组数据，系统矩阵A,B→[A(t),B(t)]是一种多胞体型结构：其中，A(t),B(t)表示t时刻加权常数矩阵，n为正整数表示传感器采集的顶点矩阵的个数,p＝1,2,...,n,[Ap,Bp]代表矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇辉，张俊锋，邵宇，冯迎港，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33