用相图分析 bbr,inflight 守恒的收敛速度
以下的代码绘制了 bbr 的收敛相图:
#!/opt/homebrew/bin/python3
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint
def model(vars, t, C, g):
x, y = vars
dxdt = C * (g * x) / (g * x + y) - x
dydt = C * (g * y) / (g * y + x) - y
# 下面是 inflight 守恒算法的模型代码
#dxdt = C * (x + g) / (x + y + g) - x
#dydt = C * (y + g) / (y + x + g) - y
return [dxdt, dydt]
def curve_length(trajectory, cycles):
length = 0
for i in range(1, cycles):
x1, y1 = trajectory[i - 1]
x2, y2 = trajectory[i]
dx = x2 - x1
dy = y2 - y1
length += np.sqrt(dx**2 + dy**2)
return length
def convergence_time(trajectory):
length = 0
for i in range(1, len(trajectory)):
x1, y1 = trajectory[i - 1]
x2, y2 = trajectory[i]
if np.abs(x1 - x2) < 0.001 and np.abs(y1 - y2) < 0.001:
return i
return len(trajectory)
C = 10.0
g_values = [0.6, 1.25, 2.25, 5]
# 下面是 inflight 守恒算法的 I 参数,为了不改 model 代码,仍用 g_values 名称
#g_values = [0.8, 2, 5, 10, 20]
initial_values = [(2, 8), (3, 7), (6, 4)]
t = np.linspace(0, 100, 1000)
plt.figure(figsize=(8, 8))
for g in g_values:
for x0, y0 in initial_values:
solution = odeint(model, [x0, y0], t, args=(C, g))
trajectory = [(solution[i, 0], solution[i, 1]) for i in range(len(solution))]
cycles = convergence_time(trajectory)
length = curve_length(trajectory, cycles)
print(cycles, length, g)
if g < 1:
plt.plot(solution[:, 0], solution[:, 1], label=f'g={g}', linestyle = 'dashed')
else:
plt.plot(solution[:, 0], solution[:, 1], label=f'g={g}')
x = np.linspace(0, 100, 1000)
plt.plot(x, x, label='x = y')
plt.plot(x, C - x, label='x + y = C')
plt.axis('equal')
for x0, y0 in initial_values:
plt.annotate(f'({x0}, {y0})', (x0, y0), textcoords="offset points", xytext=(0,10), ha='center')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
x_min, x_max = plt.xlim()
y_min, y_max = plt.ylim()
plt.xlim(0, 10 + 2)
plt.ylim(0, 10 + 2)
plt.title(f'bbr convergence, C = {C}')
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()
绘图如下:
虚线表示 g < 1 的场景,而 g = 1 时就是 x +y = C 本身,可见 g <=1 时,系统都不会收敛,当 g > 1 时,收敛速度与 g 正相关。
代码中的 convergence_time 和 curve_length 函数可以定量计算收敛速度:
- convergence_time,当 x,y 均不再变化时,步骤数越少即用时越短,收敛越快;
- curve_time,相同或更短的时间内,相图轨迹 “跑” 得越远,收敛越快。
我们需要从定量计算中总结出定性规律,企图可以通过相图的几何特征中,即相图轨迹的走势与公平线夹角越小,收敛越快,相图轨迹越平直(而不弯曲迂回),收敛越快。
但收敛快的代价是更大的 buffer 占用,时延增加,这又是前面谈到的效率和公平不可兼得的问题。
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