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高性能网络拥塞控制协议及关键算法的研究与实现

2020-11-22阅读(489)

高性能网络拥塞控制协议及关键算法的研究与实现

论文摘要

拥塞控制一直以来都是计算机网络领域的研究重点。早期的网络拥塞控制研究主要集中于改进端系统的TCP拥塞控制机制,取得了一定的研究成果。但随着光纤技术的普遍应用,高性能交换设备以及大量应用层软件的出现,网络性能得以迅速提高。网络呈现大规模、高速、高带宽、长延迟、应用多元化的特点。因此传统的TCP拥塞控制机制及IP层弃尾机制已经不能适应当前高性能网络拥塞控制的需求。 本文提出了一种针对高性能网络的拥塞控制体系。该体系从TCP和IP二个层次上对传统的拥塞控制体系做了改进,以解决UDP流及其它非TCP友好流过多地占有带宽、易导致网络拥塞的问题,同时也在一定程度上解决了全局同步、死锁、满队列等问题,提高了链路利用率。 FAST TCP从根本上改变了传统TCP的拥塞度量机制、网络容量的探测方式,同时对AIMD（和式增加积式减少）机制也做了大幅度的改进。本文对FAST TCP进行了详细研究,讨论了其设计动机,体系结构和算法的实现。我们在Linux 2.4.22内核中嵌入了FAST TCP协议。在千兆以太网内设计了一系列实验,使用Iperf网络测量工具,测试了传统TCP与 FAST TCP的性能。实验验证了FAST TCP较传统Reno TCP具有一定的性能优势。 本文研究发现SRED算法在设计初始丢弃概率函数时不能保证函数曲线的平稳过渡,丢弃概率值出现了较大的跳跃,这将导致路由器队列长度不稳定以及不必要地丢弃报文。针对这个缺陷,我们引入路由器队列法则,根据路由器队列法则对SRED算法的缺陷进行了理论分析,在此基础上设计了一种改进的SRED算法:E-SRED。我们在NS-2.26下实现了E-SRED算法,同时设计了4个具有普遍意义的网络实验。实验验证了E-SRED算法在保持路由器队列稳定性以及使队列快速收敛方面对SRED算法都有一定的提高。特别是在重负载情况下,性能提高更加明显。 本文研究了IBM公司的网络处理器:NP4GS3的体系结构及流量控制机制,在此基础上我们提出了一种在NP4GS3上的E-SRED算法的实现方案。在本方案中,我们依据NP4GS3提供的硬件支持详细设计了算法实现所需的2个硬件函数,讨论了硬件函数所需的参数设置,给出了方案实现的完整伪码描述,最后对本方案进行了可行性分析。

论文目录

  • 目录
  • 图表目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 研究背景
  • §1.2 Internet所面临的拥塞问题
  • 1.2.1 拥塞及拥塞控制的基本概念
  • 1.2.2 拥塞的基本分类
  • §1.3 拥塞控制机制研究现状
  • 1.3.1 源端拥塞控制
  • 1.3.2 基于路由器队列管理的拥塞控制
  • 1.3.3 其它与拥塞控制相关的网络技术
  • §1.4 论文的主要工作及组织结构
  • 第二章 高性能网络拥塞控制体系
  • §2.1 高性能网络拥塞控制体系
  • §2.2 应用队列调度机制解决UDP流造成的网络拥塞
  • 2.2.1 几种主要的队列调度机制
  • 2.2.2 应用WRR机制解决UDP流带来的拥塞问题
  • §2.3 应用ECN机制的性能优势
  • 2.3.1 ECN机制
  • 2.3.2 ECN与drop的性能比较
  • §2.4 本章小结
  • 第三章 基于高速长延迟网络的新型TCP协议：FAST TOP研究
  • §3.1 TCP拥塞控制机制演化
  • 3.1.1 TCP的演化
  • 3.1.2 TCP拥塞控制的主要问题
  • §3.2 FAST TCP设计动机
  • §3.3 FAST TCP的体系结构和算法分析
  • 3.3.1 FAST TCP的设计方针
  • 3.3.2 FAST TCP的设计约束
  • 3.3.3 FAST TCP的体系结构
  • §3.4 在Linux2.4.22内核中嵌入FAST TCP协议
  • §3.5 基于千兆以太网的FAST TCP实验
  • 3.5.1 实验环境及网络拓扑结构
  • 3.5.2 FAST TCP实验模型及方案
  • 3.5.3 实验一：同一网段内FAST TCP与传统Reno TCP性能比较
  • 3.5.4 实验二：不同网段内FAST TCP与传统Reno TCP性能比较
  • §3.6 本章小结
  • 第四章 一种增强的SRED算法：E-SRED
  • §4.1 基于RED的AQM算法改进研究
  • 4.1.1 RED主动队列管理算法
  • 4.1.2 针对RED的不同改进
  • 4.1.3 算法改进总结
  • §4.2 基于路由器队列法则的增强SRED算法：E-SRED
  • 4.2.1 SRED算法分析
  • 4.2.2 路由器队列法则
  • 4.2.3 SRED算法改进
  • §4.3 E-SRED算法在NS-2.26下的实现
  • 4.3.1 NS-2.26简介
  • 4.3.2 E-SRED算法描述
  • 4.3.3 算法在NS-2.26下的实现
  • §4.4 E-SRED算法性能测试
  • 4.4.1 实验1：静态小流量下2种算法性能比较
  • 4.4.2 实验2：动态小流量下2种算法性能比较
  • 4.4.3 实验3：静态大流量下2种算法性能比较
  • 4.4.4 实验4：动态大流量下2种算法性能比较
  • §4.5 本章小结
  • 第五章 基于NP的E-SRED算法实现方案研究
  • §5.1 网络处理器技术
  • 5.1.1 网络处理器技术产生背景
  • 5.1.2 网络处理器体系结构
  • §5.2 基于NP4GS3的流控机制实现方案
  • 5.2.1 输入端流量控制
  • 5.2.2 输出端流量控制
  • §5.3 基于NP4GS3的E-SRED算法实现方案
  • 5.3.1 数据结构及参数定义
  • 5.3.2 基于NP的E-SRED算法实现
  • 5.3.3 E-SRED算法在NP上实现方案伪码描述
  • 5.3.4 算法实现方案可行性分析
  • §5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • §6.1 全文工作总结
  • §6.2 对下一步研究工作的展望
  • 致谢
  • 附录A：攻读硕士期间发表的论文
  • 附录B：攻读硕士期间参加的科研项目
  • 参考文献

    • 相关论文文献

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