互联网端到端拥塞控制算法研究

论文摘要

拥塞控制机制是保证网络稳定可靠运行的关键技术之一,拥塞控制机制一直是计算机网络领域的研究热点。目前互联网中使用最广泛的端到端拥塞控制机制是TCP拥塞控制。虽然TCP拥塞控制已经显著地降低了互联网崩溃的概率,但是围绕着TCP拥塞控制产生了许多新的研究课题。在传统TCP协议的基本框架下,许多新型窗口更新算法(例如HSTCP和STCP)都采用了凸性递增机制,提高了TCP连接对分组丢弃概率的承受能力,从而解决了高带宽延迟积网络的效率问题。但是凸性递增并不能从根本上提高网络效率,而且在大窗口条件下也很难保证网络的稳定性。另外,这些算法在设计过程中都忽略了小时间尺度网络拥塞的影响。本文主要研究了普通窗口更新算法的稳定条件,及其对网络效率等性能的影响。研究发现,普通窗口更新算法的稳定性条件要求,在平衡状态附近的分组级拥塞窗口的递增量必须足够小,并且在平衡状态附近的递减速率必须大于往返时间级递增速率。研究还发现,凸性递增算法仅能改善递增收敛性,而凹性递增算法不仅能改善递增收敛性,而且还能提高网络效率。另外,凸性递增算法会导致大量的分组丢弃,而凹性递增算法能够有效地减少丢弃的分组数量,从而降低了超时重传的概率。因此,本文提出满足大窗口稳定性的凹性递增算法,其基本设计思想是:当拥塞窗口远远小于效率点时,快速地将拥塞窗口递增到效率点附近;当拥塞窗口逼近效率点时,拥塞窗口缓慢增长以至于能长时间保持在效率点附近。本文还研究了小时间尺度网络拥塞现象、基本成因及其影响因素。研究发现,小时间尺度网络拥塞的根本原因是TCP协议的基于窗口的分组发送机制;窗口更新算法的往返时间级递增量直接决定了小时间尺度网络拥塞的程度;限制背靠背发送分组数和主动队列管理算法并不能预防和减轻小时间尺度网络拥塞。因此,本文提出了降低小时间尺度网络拥塞程度的基本设计思想:在慢启动阶段估计有效缓冲长度,用以限制拥塞避免阶段的往返时间级递增量。基于凹性递增算法和小时间尺度网络拥塞的基本设计思想,在传统TCP协议的基本框架下,本文提出了ETCP(Efficient TCP)拥塞控制协议:慢启动采用AQI(Asymptotic Quadratic Increase)递增算法,并对有效缓冲长度进行估计;拥塞避免采用改进PIMD(Power Increase and Multiplicative Decrease)算法,并根据有效缓冲的估计值来限制往返时间级拥塞窗口递增量。理论分析和仿真实验表明:在广泛的有线网络环境中,ETCP拥塞控制协议能够有效地降低小时间尺度网络拥塞,能够以较低分组丢弃概率为代价获得较高的网络效率,并且具有良好的TCP兼容性能。本文从经济学角度提出了基于效用函数的速率控制算法,它可以通过选择特定形式的效用函数来定制具体的速率控制算法。研究发现,用户采用基于效用函数的速率控制算法,网络系统可以收敛到某个平衡状态,该平衡状态是网络系统最优化问题的一个最优解。本文从理论上分析该算法的稳定性条件,并通过仿真验证了两种典型效用函数(负倒数和对数)对应的速率控制算法的网络性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 拥塞与拥塞控制
• 1.1.1 拥塞
• 1.1.2 拥塞控制
• 1.1.3 拥塞控制的类型
• 1.1.4 拥塞控制的设计难点
• 1.1.5 拥塞控制的性能指标
• 1.2 TCP 拥塞控制协议
• 1.2.1 TCP 传输协议
• 1.2.2 TCP 拥塞控制
• 1.2.3 TCP 拥塞控制的发展
• 1.3 拥塞控制理论研究
• 1.3.1 最优化理论
• 1.3.2 闭环通信量模型
• 1.3.3 带宽分配策略
• 1.4 互联网端到端拥塞控制研究现状
• 1.4.1 TCP 性能问题
• 1.4.2 端到端拥塞控制算法
• 1.5 网络节点的改进方案
• 1.5.1 主动队列管理
• 1.5.2 拥塞反馈信号
• 1.6 论文的研究内容和组织结构
• 1.6.1 论文的研究内容
• 1.6.2 论文的组织结构
• 第二章 基本数学模型
• 2.1 自相似网络通信量
• 2.1.1 随机自相似
• 2.1.2 重尾分布
• 2.1.3 网络性能
• 2.2 闭环网络通信量模型
• 2.2.1 流体流网络系统
• 2.2.2 哑铃网络系统
• 2.3 哑铃网络稳定性
• 2.3.1 奈奎斯特稳定判据
• 2.3.2 比例链路算法的哑铃网络
• 2.3.3 积分链路算法的哑铃网络
• 2.4 小结
• 第三章 基于效用函数的速率控制算法
• 3.1 网络最优化原理
• 3.1.1 经济学原理
• 3.1.2 最优化问题的描述
• 3.2 基于效用函数的速率控制算法
• 3.2.1 算法描述
• 3.2.2 稳定条件
• 3.3 对数速率控制算法
• 3.3.1 算法描述
• 3.3.2 性能分析
• 3.4 负倒数速率控制算法
• 3.4.1 算法描述
• 3.4.2 性能分析
• 3.5 仿真实验
• 3.5.1 基本配置
• 3.5.2 比例链路算法
• 3.5.3 积分链路算法
• 3.6 小结
• 第四章 扩展TCP 拥塞控制算法的性能研究
• 4.1 传统TCP 拥塞控制算法
• 4.1.1 基本假设条件
• 4.1.2 分组级AIMD 窗口更新算法
• 4.1.3 往返时间级AIMD 窗口更新算法
• 4.2 扩展TCP 拥塞控制算法稳定性分析
• 4.2.1 分组级扩展TCP 拥塞控制算法
• 4.2.2 往返时间级扩展TCP 拥塞控制算法
• 4.3 扩展TCP 拥塞控制算法性能分析
• 4.3.1 公平性
• 4.3.2 收敛性
• 4.3.3 网络效率
• 4.4 链路算法的稳定条件
• 4.4.1 弃尾队列
• 4.4.2 随机早检测
• 4.5 小结
• 第五章 基于窗口的拥塞控制算法的性能研究
• 5.1 普通窗口更新算法及其稳定性分析
• 5.1.1 分组级普通窗口更新算法
• 5.1.2 往返时间级普通窗口更新算法
• 5.1.3 渐近二次窗口递增算法AQI
• 5.2 普通窗口更新算法的网络效率
• 5.2.1 基本概念
• 5.2.2 小缓冲网络
• 5.2.3 大缓冲网络
• 5.3 丢弃分组的数量
• 5.4 小结
• 第六章 幂次递增成倍递减的窗口更新算法
• 6.1 基本思想
• 6.2 PIMD 算法的基本原理
• 6.2.1 幂次递增算法PI
• 6.2.2 TCP 兼容性的参数配置
• 6.2.3 PIMD 算法描述
• 6.3 仿真实验
• 6.3.1 基本配置
• 6.3.2 单条连接的实验
• 6.3.3 多条连接的实验
• 6.3.4 TCP 兼容性实验
• 6.4 小结
• 第七章 ETCP 拥塞控制协议
• 7.1 小时间尺度网络拥塞
• 7.1.1 基本概念
• 7.1.2 单瓶颈链路
• 7.1.3 多级瓶颈链路
• 7.1.4 递增算法的突发性
• 7.1.5 小缓冲高速网络环境
• 7.2 ETCP 拥塞控制协议
• 7.2.1 慢启动
• 7.2.2 拥塞避免
• 7.3 仿真实验
• 7.3.1 单条连接的实验
• 7.3.2 多条连接的实验
• 7.3.3 TCP 兼容性实验
• 7.4 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 论文的主要贡献
• 8.2 进一步研究工作
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的主要学术论文
• 作者在攻读博士学位期间参与的主要科研工作
• 参考文献