高速传输协议XCP性能分析及其与传统TCP协议互联的研究

论文摘要

随着光纤通信等新技术的应用,网络带宽迅速增加,传统TCP协议因为其保守的拥塞控制机制而不能充分利用可用带宽。因此,高速传输协议成为近年来的研究热点,其中较有影响的有HSTCP、STCP、BIC、FAST TCP和XCP等协议。这些协议中,XCP由于其快速收敛、极佳的公平性和很小的排队时延等卓越性能,受到众多研究者的关注。但是,由于XCP的拥塞控制机制与传统TCP的拥塞控制机制存在很大不同,它们之间的互联存在很大困难。针对这一问题,研究者提出了TCP友好的XCP、基于XCP的CSFQ和XCP-i等方案。然而,这些方案对升级过程中混合网络中可能存在的各种流没有作深入研究,它们的TCP兼容性很差,且升级过程的可操作性不强。这些互联方案的研究之所以不够深入,其原因就在于对XCP的实时特性不够了解。针对这一问题,本文对XCP的时域性能进行了深入分析,推导出了XCP流速率的时域表达式,并以此为基础给出了XCP协议的响应函数。在这些知识的基础上,作者进一步提出了基于XCP-TCP网关的互联方案,并分别从理论分析和实验仿真对方案进行了验证。总结起来,全文的创新点如下:通过分析反馈与输入流速率的关系,得到XCP瓶颈链路的输入流速率依指数速率收敛于链路带宽容量的结论。在单瓶颈链路条件下,从分析吞吐量占比入手,首次得到吞吐量占比的时域表达式。该表达式依指数速率收敛于流数量的占比。其次,作者首次给出了XCP流速率的时域表达式。这些结论不仅从理论上证实了以前关于XCP性能的有关结论,例如公平性和带宽利用率,也为XCP的拥塞控制机制提供了更直观的认识。综合以前的研究成果,提出了评价高速传输协议的五个指标。规模性作为其中的一项重要指标,可以用响应函数来描述。在周期丢包模型条件下,作者首次推导出了FAST TCP和XCP协议的响应函数。与其他协议的响应函数不同的是,XCP的平均吞吐量不仅与丢包率有关,还与每流带宽有关。这从理论上证实XCP的规模性优于其它协议。在对现有的XCP与传统TCP互联方案深入分析比较的基础上,提出了基于XCP-TCP网关的方案。该方案首次完整地考虑了升级过程中各种可能的流的工作状态,并对这些流之间的公平性进行了理论分析。结论显示在该方案中各种流之间能够友好共存。其次,文中还对XCP瓶颈链路的带宽利用率和收敛时间、排队时延等进行了理论分析。结果表明在稳态下瓶颈链路的带宽利用率不低于80%,其排队时延优于传统FIFO路由器的排队时延。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 本文的主要研究内容
• 1.3 全文章节结构
• 第二章 Internet 拥塞控制机制概述
• 2.1 基于端系统的拥塞控制机制
• 2.1.1 xIMD 拥塞控制
• 2.1.2 基于时延的拥塞控制
• 2.1.3 基于速率的拥塞控制
• 2.1.4 基于带宽估计的拥塞控制
• 2.2 基于中间结点的拥塞控制机制
• 2.2.1 AQM
• 2.2.2 路由器辅助的拥塞控制
• 2.3 基于 Proxy 的拥塞控制机制
• 2.3.1 基于FEC/ARQ 的Proxy 方法
• 2.3.2 基于分裂连接的Proxy 方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 传统TCP 协议拥塞控制
• 3.1 传统TCP 拥塞控制机制
• 3.1.1 TCP Tahoe
• 3.1.2 TCP Reno
• 3.1.3 TCP NewReno
• 3.1.4 TCP SACK
• 3.1.5 TCP 性能分析
• 3.2 传统TCP 拥塞控制辅助机制
• 3.2.1 RTT 的测量
• 3.2.2 RTO 设置
• 3.3 传统TCP 在高BDP 环境下面临的问题
• 3.4 本章小结
• 第四章 XCP 协议时域性能分析及其响应函数
• 4.1 高BDP 环境下的拥塞控制协议简介
• 4.1.1 HSTCP
• 4.1.2 STCP
• 4.1.3 Binary Increase Search
• 4.1.4 Fast TCP
• 4.1.5 XCP
• 4.2 XCP 协议概述
• 4.2.1 设计理念
• 4.2.2 拥塞控制机制
• 4.3 XCP 协议性能分析
• 4.3.1 稳态特性分析
• 4.3.2 时域特性分析
• 4.4 高BDP 环境下拥塞控制协议的评价指标
• 4.4.1 规模性
• 4.4.2 排队时延
• 4.4.3 公平性
• 4.4.4 TCP 兼容性
• 4.4.5 收敛时间
• 4.5 本章小结
• 第五章 现有XCP 与传统TCP 互联方案及其优缺点分析
• 5.1 TCP 友好的XCP 方案
• 5.1.1 路由器
• 5.1.2 端系统
• 5.1.3 优缺点分析
• 5.2 基于XCP 的CSFQ 方案
• 5.2.1 基本原理
• 5.2.2 优缺点分析
• 5.2.3 仿真结果
• 5.3 XCP-i 方案
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 优缺点分析
• 5.4 方案的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于XCP-TCP 网关的互联方案
• 6.1 工作原理
• 6.1.1 设计思想
• 6.1.2 网络结构与流的分类
• 6.1.3 工作机制
• 6.2 性能分析
• 6.2.1 公平性分析
• 6.2.2 瓶颈链路带宽利用率
• 6.2.3 排队时延
• 6.2.4 XCP-TCP 网关的复杂程度
• 6.3 仿真实验
• 6.3.1 仿真环境
• 6.3.2 公平性
• 6.3.3 瓶颈链路带宽利用率及收敛时间
• 6.3.4 瓶颈链路的队列长度
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 进一步的工作展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间录用和发表的论文（均为第一作者）