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数据中心网络中拥塞现象和不公平现象的分析和改进

作　者: 史尧
导　师: 秦阳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 数据中心网络拥塞窗口 incast outcast
分类号: TP308
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 27次
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内容摘要

随着数据中心应用提出的需求不断变高，数据中心网络作为数据中心的重要组件，其负载也变的越来越大。这样导致拥塞情况频繁的发生，容易形成一种被称为incast的吞吐量大幅下降的现象。而数据中心应用程序的流量特征又会导致出现一种被称为outcast的不公平现象。通过深入了解incast现象的几个关键参数，可以发现，RTO min在其中起着至关重要的作用。随着发送方数量的增大，网络拥塞程度不断提高，这样会导致丢包和超时现象出现。严重的拥塞导致发送方无法通过收到三个冗余ACK来进入快速恢复状态，只能等待超时，从而影响网络吞吐量。在众多解决incast问题的算法中，传输层算法属于一类较好的算法，因为此类算法对网络基础设施的要求和改动较小，同时易于实现。所以在本文中，通过设计一种基于ACK回复变化率的传输层协议，较好的解决了incast问题。协议利用ACK回复变化率和对理论最大拥塞窗口的估计调节当前拥塞窗口，有效处理了incast现象中吞吐量下降的问题。数据中心的数据流还存在一种不公平现象，即P. Prakash发现的被称为outcast的现象。这种现象的表现就是RTT小的流，其吞吐量小于RTT大的流，这与传统TCP协议遵循的RTT与吞吐量成反比的准则完全相反。P. Prakash在验证了outcast现象的广泛存在后，给出了一个基于端口阻塞的解释。但是经过本文仔细的分析后，我们给出了outcast现象的实质原因。即RTT不同的流在物理链路上的分布不均，和数据中心上层应用的特征所导致的RTT不同的流在拥塞窗口大小上的差异。根据该现象的本质原因，本文建立了相应的吞吐量数学模型。最后，通过设计一种基于窗口通知的协议，解决了outcast现象。协议通过测量拥塞窗口的平均值，统一了RTT不同的流在当前数据块发送结束时的拥塞窗口大小，使得RTT小的流的吞吐量得到提高。将以上几个算法在ns-2仿真平台中进行实验后，实验结果证明outcast现象的本质原因的正确性和两种解决算法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 数据中心网络的介绍和研究意义  9-13
    1.2.1 数据中心网络概念  9-11
    1.2.2 数据中心网络的研究现状  11-13
  1.3 本文主要研究工作  13
  1.4 本文的结构  13-15
第2章数据中心网络研究概述  15-27
  2.1 数据中心网络中的拥塞现象概述  15-16
  2.2 数据中心网络中的不公平现象概述  16-17
  2.3 数据中心网络中拥塞现象的相关算法  17-26
    2.3.1 数据链路层解决方案  17-20
    2.3.2 应用层解决方案  20-22
    2.3.3 传输层解决方案  22-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章数据中心网络拥塞现象的解决方法  27-33
  3.1 经典拥塞控制算法TCP NEWRENO介绍  27-28
  3.2 经典拥塞控制协议TCP VEGAS介绍  28-30
  3.3 基于ACK变化率的传输层协议  30-32
  3.4 本章小结  32-33
第4章数据中心网络不公平现象的原因和解决方法  33-42
  4.1 用端口阻塞解释OUTCAST现象  33-34
  4.2 OUTCAST现象的本质原因  34-37
  4.3 OUTCAST现象的吞吐量数学模型  37-40
    4.3.1 RTT小的流的数学模型  38-39
    4.3.2 RTT大的流的数学模型  39-40
  4.4 基于窗口通知的OUTCAST解决算法  40-41
  4.5 本章小结  41-42
第5章仿真实验  42-50
  5.1 基于ACK变化率的传输层协议的性能实验  42-44
  5.2 OUTCAST现象本质原因验证实验  44-48
  5.3 基于窗口通知的算法的性能实验  48
  5.4 本章小结  48-50
结论  50-51
参考文献  51-57
致谢  57

数据中心网络中拥塞现象和不公平现象的分析和改进

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