RED Random Early Detection 随机早期检测

1. 引言

网络拥塞控制的重要性

网络拥塞控制是计算机网络中的关键技术，用于确保数据能高效地传输。在网络中，当流量过大时会导致拥塞，进而造成数据包的丢失、延迟增加，甚至网络中断。拥塞控制机制的核心在于如何及时发现并处理拥塞情况，从而维持网络的稳定性和服务质量。有效的拥塞控制对减少网络延迟、提高吞吐量以及提升用户体验至关重要。

RED算法的目的

RED（Random Early Detection）算法的设计目的是在网络接近拥塞时，通过提前随机丢弃数据包来缓解网络压力，避免出现突发拥塞。传统的拥塞控制方法通常在网络完全拥塞后才开始丢弃数据包，而RED则试图在拥塞发生之前就进行干预。通过丢弃一部分数据包，RED算法能够让发送方感知到网络的拥塞情况，并主动减慢数据发送速率，从而提高整个网络的性能和稳定性。

2. 基本概念

队列管理

在计算机网络中，队列管理是控制和管理数据包如何在路由器或交换机的缓冲区中排队的过程。由于网络资源有限，不能同时处理过多的数据包，因此需要一个队列来临时存储过多的数据包，确保网络能高效运转。队列管理的主要目的是在资源紧张时合理分配带宽，确保重要数据优先传输，减小延迟，减少数据包丢失。

拥塞控制

拥塞控制是指在网络出现拥塞时，通过调节流量来降低网络负载的技术，确保数据包能顺利传输，维持网络稳定性。拥塞控制分为被动拥塞控制和主动拥塞控制：

被动拥塞控制

被动拥塞控制是传统的拥塞控制方法，通常在网络已发生拥塞时才开始处理。例如，TCP中的“丢包信号”机制会在数据包被丢弃后，发送方通过超时或重复确认的方式检测到拥塞，从而减慢数据发送速率。这种方法虽然简单，但在高流量时可能导致较高的丢包率和网络延迟。

主动拥塞控制

主动拥塞控制则在拥塞发生前就主动进行干预。通过监测网络负载情况，主动丢弃部分数据包，使发送方察觉到网络即将拥塞，并提前减缓流量，避免拥塞情况进一步加剧。RED算法就是一种典型的主动拥塞控制方法，通过在网络负载增加时随机丢弃数据包，让发送方感知网络状况并调整传输速率，从而提高网络的整体性能。

RED算法的工作原理

平均队列长度计算

在RED算法中，平均队列长度是检测网络拥塞的关键指标。通常通过指数加权平均方法来计算，它考虑了队列长度的历史数据，使其对瞬时变化不敏感。具体公式如下：
$$avgq=(1-w)\times avgq+w\times currq{\text{avg}}_q=(1-w)\times {\text{avg}}_q+w\times {\text{curr}}_q$$
其中：

• avgq 是当前计算得到的平均队列长度，
• w 是平滑因子，
• currq 是当前队列长度。

平滑因子的作用

平滑因子 w 决定了当前队列长度对平均值的影响大小。较大的 w 会使平均队列长度更敏感于当前队列长度的波动，适合检测快速的拥塞变化；较小的 w 则更关注历史信息，使平均值变化平缓，从而过滤掉短期的突发流量。选择合适的 w 值可以使RED在不同网络环境中更为有效地检测拥塞。

阈值设定

RED算法设定两个关键的队列长度阈值：最小阈值（MinTh）和最大阈值（MaxTh）。

• 最小阈值（MinTh）：当平均队列长度低于 MinTh 时，说明网络处于较轻负载状态，不会丢弃任何数据包。
• 最大阈值（MaxTh）：当平均队列长度超过 MaxTh 时，表明网络接近或已经进入拥塞状态，此时会丢弃所有新到的数据包，以降低网络负载。

MinTh 和 MaxTh 之间的区域是拥塞控制的关键范围，在该区间内，丢包概率会随平均队列长度的增大而增加。

丢包概率

当平均队列长度介于 MinTh 和 MaxTh 之间时，RED会根据队列长度动态调整丢包概率，以控制流量。具体丢包概率公式为：
$$Pdrop=Pmax\times avgq-MinThMaxTh-MinTh{P}_{\text{drop}}=P_{\text{max}}\times \frac{{\text{avg}}_q-\text{MinTh}}{\text{MaxTh}-\text{MinTh}}$$
其中 Pmax 是设定的最大丢包概率。当平均队列长度越接近 MaxTh，丢包概率越高，达到 MaxTh 时丢包概率为 Pmax。这种丢包概率的线性增长特性帮助RED在拥塞程度增加时逐渐提高丢包概率，避免突发的流量控制操作。

具体流程

当数据包到达时，RED算法的处理步骤如下：

1. 检查当前队列的平均长度。
2. 根据平均队列长度和设定的阈值（MinTh 和 MaxTh），计算丢包概率。
3. 使用随机数生成器生成一个随机数，如果该随机数小于计算出的丢包概率，则丢弃该数据包；否则，将该数据包放入队列中。
4. 更新平均队列长度，以反映新到达的数据包对队列长度的影响。
   这个流程确保了在网络负载逐渐增加时，RED算法能够提前响应，通过丢弃部分数据包来避免网络拥塞。

当有数据包到达时，RED算法的处理步骤如下：

1. 计算平均队列长度：根据当前队列长度和历史数据，使用平滑因子计算得到最新的平均队列长度。
2. 检查平均队列长度：
   • 如果平均队列长度低于 MinTh，不丢弃数据包，直接放入队列。
   • 如果平均队列长度超过 MaxTh，丢弃数据包。
   • 如果平均队列长度介于 MinTh 和 MaxTh 之间，进入下一步。
3. 计算丢包概率：根据队列长度和设定的最大丢包概率 P m a x P max P m a x ​ PmaxP_{\text{max}}Pmax​