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高速网络显式拥塞控制关键技术研究

作　者: 彭立宏
导　师: 窦文华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 互联网高速网络拥塞控制稳定性公平性鲁棒性收敛反馈
分类号: TP393.06
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 61次
引　用: 1次
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内容摘要

拥塞控制是计算机领域的研究热点，它为互联网的稳定运行提供了必不可少的保证。随着互联网络带宽的不断提高以及各种新型网络应用对数据传输需求的日益增加，路由器支持的显式拥塞控制机制引起了广泛的关注。在显式拥塞控制机制的研究中，目前需要重点解决的问题包括：如何自适应地配置控制参数；如何设计快速收敛的算法；如何提高大延时环境下拥塞控制机制的鲁棒性；如何保证控制机制的稳定性和公平性等。本文围绕上述关键问题展开了深入的研究，并提出了有效的解决方案。本文研究了基于数据包丢失率的显式拥塞控制机制，指出影响算法收敛性能的一个关键问题是控制参数的设置。将控制参数设置为常数是已有算法线性收敛到公平的主要原因。为了改善算法收敛性能，本文提出了一种基于反馈的自适应参数调整机制NMKC，从理论上证明了NMKC在任意延时条件下的稳定性，并证明了NMKC收敛到公平的指标明显优于已有算法。大量仿真实验表明NMKC在有效性、稳定性、公平性、可扩展性等方面都具有优良的性能。及时准确地判断网络拥塞程度以及提前预测未来的拥塞趋势是拥塞控制机制能够快速收敛到系统平衡状态的一个关键问题。本文提出了一种基于历史信息的显式拥塞控制机制FMKC。该机制实现简单，计算量小。理论分析和仿真结果表明，FMKC能快速收敛到稳定状态，在收敛性能等方面明显优于EMKC协议。反馈信息的粒度对显式拥塞控制机制的性能尤其是收敛性能影响很大，信息粒度的增加有助于性能的提高。为此，本文提出了一种新的拥塞控制机制ATCP。ATCP协议的拥塞包头额外增加了数据包丢失率、瓶颈路由器序列号和估计的公平带宽等信息，路由器根据数据包丢失率的变化情况启发式地探测公平带宽，并通过拥塞包头的信息域通告给源端。ATCP协议的实现不需要路由器收集每条数据流的状态信息，也不需要路由器估计数据流数，算法计算量小。仿真结果表明，ATCP的收敛时间与带宽无关，可扩展性好，在提高效率的同时保证了良好的公平性。保证大延时网络环境中拥塞控制机制的鲁棒性是显式拥塞控制机制研究的难点问题之一，主要原因是网络延时高度异构，系统行为非常复杂。为进一步优化高速网络拥塞控制算法的收敛性和稳定性，本文提出了一种适合于大时延网络环境的XCP-SVC协议，分别在源端和路由器的控制器中增加校正机制以克服大时延带来的不利影响。仿真结果表明，XCP-SVC算法改善了XCP算法在大时延网络环境中的性能，增强了系统的鲁棒性。综上所述，本文针对显式拥塞控制机制的稳定性、公平性和收敛性等问题，提出了基于数据包丢失率反馈的参数自适应调整算法、快速公平收敛算法、大延时环境中的鲁棒机制，提高了显式拥塞控制机制的收敛性、公平性和鲁棒性，对于推进高速网络高效传输的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-14
第一章绪论  14-22
  1.1 课题研究背景  14-17
  1.2 研究现状及存在的主要问题  17-18
  1.3 本文主要研究内容  18-19
  1.4 课题研究思路  19
  1.5 论文组织结构  19-22
第二章相关研究  22-48
  2.1 基本概念  22-26
    2.1.1 拥塞和拥塞控制  22-23
    2.1.2 拥塞控制机制的性能评价指标  23-25
    2.1.3 拥塞控制的设计难点  25-26
  2.2 TCP 拥塞控制机制  26-28
  2.3 高速网络拥塞控制协议研究现状  28-39
    2.3.1 基于丢包反馈的协议  28-30
    2.3.2 基于网络测量的协议  30-33
    2.3.3 基于显式反馈的协议  33-39
  2.4 显式拥塞控制协议的实现开销  39-42
    2.4.1 拥塞包头  41
    2.4.2 路由器计算开销  41-42
  2.5 基于价格的拥塞控制模型及其扩展  42-46
    2.5.1 基于价格的模型  42-43
    2.5.2 基于价格的拥塞控制模型扩展  43-46
  2.6 本章小结  46-48
第三章自适应参数调整技术  48-72
  3.1 相关研究  48-52
  3.2 现有算法不足  52-55
    3.2.1 公平收敛性能  52-54
    3.2.2 控制参数对 EMKC 算法性能的影响  54-55
  3.3 NKMC 算法  55-58
    3.3.1 模式切换  55-56
    3.3.2 数据包丢失率  56
    3.3.3 自适应参数调整  56-58
  3.4 性能分析  58-64
    3.4.1 稳定性能分析  58-61
    3.4.2 收敛性能分析  61-64
  3.5 仿真验证  64-70
    3.5.1 仿真配置  64
    3.5.2 瓶颈链路带宽对性能的影响  64-65
    3.5.3 往返传输延时对性能的影响  65
    3.5.4 参数敏感性  65-67
    3.5.5 不同 RTT 的影响  67-68
    3.5.6 多瓶颈链路  68-70
  3.6 本章小结  70-72
第四章公平收敛性能优化算法  72-88
  4.1 引言  72-73
  4.2 公平收敛速度优化算法  73-77
    4.2.1 设计思想  73-74
    4.2.2 算法描述  74-75
    4.2.3 参数确定  75-77
  4.3 收敛性能分析  77-81
    4.3.1 FMKC 效率收敛性能分析  77-79
    4.3.2 FMKC 公平收敛性能分析  79-81
  4.4 仿真验证  81-85
    4.4.1 仿真配置  81
    4.4.2 收敛性能  81-83
    4.4.3 参数τ的敏感性  83
    4.4.4 参数γ的敏感性  83-84
    4.4.5 瓶颈链路带宽的影响  84-85
    4.4.6 多瓶颈链路  85
  4.5 本章小结  85-88
第五章启发式公平带宽探测技术  88-102
  5.1 引言  88-90
    5.1.1 理想的拥塞控制策略  88-89
    5.1.2 拥塞控制算法性能  89-90
  5.2 ATCP 算法  90-95
    5.2.1 算法设计思想  90-91
    5.2.2 路由器算法  91-93
    5.2.3 源端算法  93-95
  5.3 性能分析  95-96
  5.4 仿真验证  96-100
    5.4.1 仿真配置  96
    5.4.2 收敛性能  96-98
    5.4.3 瓶颈链路带宽变化的影响  98
    5.4.4 多瓶颈链路环境中的性能  98-100
  5.5 本章小结  100-102
第六章鲁棒的拥塞控制机制  102-116
  6.1 XCP 协议  102-103
  6.2 延时不同对 XCP 协议的影响  103-106
    6.2.1 延时不同时 XCP 的稳定性问题  103-105
    6.2.2 XCP 的延时稳定性能改善  105-106
  6.3 XCP-SVC 拥塞控制协议  106-108
    6.3.1 源端算法  107
    6.3.2 路由器算法  107-108
  6.4 性能分析  108-110
  6.5 仿真验证  110-114
    6.5.1 RTT 差异较大时的性能  110-111
    6.5.2 存在突发流时的性能  111-113
    6.5.3 多瓶颈链路  113-114
  6.6 本章小结  114-116
第七章结论与展望  116-119
  7.1 论文的主要贡献  116-117
  7.2 下一步的研究工作  117-119
致谢  119-120
参考文献  120-128
作者在学期间取得的学术成果  128

高速网络显式拥塞控制关键技术研究

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