IP网络拥塞控制的若干问题研究

论文摘要

当用户对网络资源的需求超过可供资源量时，网络发生拥塞，其影响可能是数据传播时延增长，丢包导致的资源浪费，甚至拥塞崩溃。IP网络的稳定运行需要源端响应链路的拥塞信号，降低发向网络的速率。目前基于IP的Internet仅通过TCP拥塞控制机制防止网络崩溃。随着Internet的规模日益庞大，各种新的服务与应用层出不穷，通信量成倍增长，各种不良行为甚至恶意行为流造成的网络拥塞频繁发生，TCP拥塞控制机制显得力不从心，迫切需要研究新的拥塞控制理论与方法。 过去，在IP网络拥塞控制的研究与设计中主要基于经验与启发式方法，随着网络规模的不断增大以及各种新服务的出现，问题愈加复杂，人们对拥塞控制的基础理论日益关注。本文针对TCP拥塞控制协议分析模型，IP组播拥塞控制机制与算法以及存在自私用户的拥塞控制理论模型，这三个既相互独立又相互联系的问题展开了研究。 对TCP拥塞控制协议的分析模型问题，基于流体流近似理论构建了一种新的TCP-Reno拥塞控制器的泛函微分方程动态模型，分析了TCP控制器的局部稳定性，推导了稳定性的充分条件。发现在网络延迟增加甚至链路带宽增大后TCP-Reno将变得不稳定，包级仿真实验的结果与理论结果吻合，表明这种不稳定现象是TCP-Reno协议固有的，这使得TCP-Reno不适合未来高速大容量Internet。 对IP多速率组播的速率控制难以平衡异构性、公平性、实时性及服务质量（QoS）等问题，将资源优化分配理论与网络技术相接合，提出了一种两阶段优化的多速率组播速率控制的模型。把问题公式化为求系统效用最大化的最优化问题，推导出了有效的算法。方法综合考虑了服务质量、异构性等，且满足协议间的公平性和组播会晤内各接收者间的公平性。数值分析的结果表明了算法的有效性，与现有的算法相比系统总效用大大提高。 针对当端系统用户以自我利益为中心响应拥塞信息时，将导致网络拥塞控制协议不稳定，甚至拥塞崩溃问题，基于博弈论方法，提出了一种不依赖端系统用户自愿合作的健壮的拥塞控制模型，把网络带宽看成一种稀缺资源，由多个非合作用户博弈竞争共享。给出了一种有效的价格机制，驱使不合作用户按网络理想控制点操作。结果表明网络可达到有效Nash均衡，从而实现高效、低时延和无丢失的网络拥塞控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的动机
• 1.2 问题的提出
• 1.3 研究的目的与意义
• 1.4 本文的内容与贡献
• 1.5 本章小结
• 第二章 研究背景
• 2.1 引言
• 2.2 基本概念
• 2.3 IP网络拥塞控制
• 2.3.1 包交换与电路交换
• 2.3.2 IP网络模型
• 2.3.3 IP网络拥塞控制
• 2.3.4 端系统拥塞控制
• 2.3.4.1 传输控制协议（TCP）
• 2.3.5 路由器拥塞控制
• 2.3.5.1 随机早期检测（RED）
• 2.3.5.2 随机早期标记（REM）
• 2.3.5.3 自适应虚拟队列（AVQ）
• 2.3.5.4 显式拥塞通告
• 2.4 拥塞控制分析模型
• 2.4.1 TCP／AQM的控制理论模型
• 2.4.2 TCP拥塞控制分析模型
• 2.4.2.1 网络效用最优化模型
• 2.4.2.2 TCP Vegas分析模型
• 2.5 组播拥塞控制
• 2.5.1 组播的基本原理
• 2.5.1.1 组通信
• 2.5.1.2 广播
• 2.5.1.3 IP组播
• 2.5.1.4 组管理与路由
• 2.5.2 组播拥塞控制
• 2.5.2.1 组播拥塞控制要解决的主要问题
• 2.5.2.2 组播拥塞控制研究进展
• 2.5.2.3 组播拥塞控制研究存在的问题
• 2.6 网络拥塞控制博弈
• 2.7 IP网络拥塞控制面临的挑战
• 2.8 本章小结
• 第三章 IP网络TCP单播拥塞控制模型
• 3.1 引言
• 3.2 TCP拥塞控制协议
• 3.2.1 TCP拥塞控制实现算法
• 3.2.2 不同的TCP拥塞控制版本
• 3.3 网络模拟的基本模型
• 3.3.1 流体流模型
• 3.3.2 包模型
• 3.4 相关研究进展
• 3.4.1 TCP吞吐量模型
• 3.4.2 端到端的TCP拥塞控制模型
• 3.5 TCP Reno拥塞控制分析模型
• 3.5.1 模型构建
• 3.5.2 稳定性分析
• 3.6 仿真实验验证
• 3.6.1 NS的工作原理
• 3.6.2 NS仿真工作流程
• 3.6.3 TCP-Reno拥塞控制协议仿真实验
• 3.7 本章小结
• 第四章 IP网络多速率组播拥塞控制
• 4.1 引言
• 4.2 基本概念与相关研究
• 4.2.1 不同网络层上的组播
• 4.2.2 经济学基本概念
• 4.2.3 网络带宽分配的公平性
• 4.2.4 相关研究
• 4.3 模型描述
• 4.4 最优速率控制算法
• 4.4.1 全局最优的接收者速率分配
• 4.4.2 组播会晤内最优层速率分配
• 4.5 算法分析与验证
• 4.5.1 一般拓扑结构网络的数值结果
• 4.5.2 最优化与固定层速率分配
• 4.6 本章小结
• 第五章 自私用户下的IP网络拥塞控制
• 5.1 引言
• 5.2 博弈论理论基础
• 5.2.1 博弈论的基本概念
• 5.2.2 非合作博弈与合作博弈
• 5.2.3 博弈的标准表述
• 5.2.4 Nash均衡
• 5.2.5 Nash均衡的存在性
• 5.2.6 Nash均衡的多重性与有效性
• 5.3 博弈论在拥塞控制中的应用进展
• 5.3.1 相关研究
• 5.3.1.1 基于路由器的方法
• 5.3.1.2 基于拥塞定价的方法
• 5.4 拥塞博弈的基本框架模型
• 5.4.1 问题原型
• 5.4.2 竞争均衡模型
• 5.4.3 非合作博弈模型
• 5.4.4 效率损失
• 5.5 激励定价博弈模型
• 5.6 一般网络的模型扩展
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论及进一步研究方向
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 存在的问题
• 6.3 未来研究方向
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的项目