基于网络演算的自相似网络性能上界模型研究

论文摘要

网络所承载的通信量是一切网络研究的基础，它不仅能够直接反映网络性能的好坏，而且在某种意义上可以用来表示网络动力学行为特征，一直以来从网络通信量的角度来研究网络性能倍受人们关注。随着信息社会的到来和网络技术的发展，Internet等高速网络已经逐步形成了一个开放的复杂巨系统。随之而来，网络通信量呈现“爆炸式”增长，其固有统计特征发生了改变，这使得基于通信量的网络性能研究也变得越来越重要。自相似性（Self-Similarity）作为高速网络通信量的一种重要统计特征，对网络性能具有影响作用。因此，基于自相似通信量的网络性能建模对高速网络的发展有着深远意义。到目前为止，人们已经对基于通信量的网络性能或网络自相似通信量等方面分别进行了深入研究，但这些研究均是针对网络性能或自相似通信量单独进行的，缺乏基于自相似通信量的网络性能方面的研究。此外，目前对自相似通信量的研究也主要集中于分析、建模等方面，缺乏自相似通信量控制方面的深入研究。为了提高自相似网络性能，研究如何有效实施自相似网络的服务质量（Quality of Service, QoS）控制，以避免自相似网络拥塞，将具有重要的研究价值。本论文针对自相似性对网络性能所造成的影响，利用网络演算（Network Calculus）理论的方法综合系统地研究了基于自相似通信量的网络性能模型。本论文的主要工作和创新性成果如下：（1）基于网络演算理论提出了适应于自相似通信量控制的分形整形器模型及其性能模型在对自相似通信量的控制研究方面，综述了目前国内外在网络自相似通信量研究方面所做的主要研究工作，基于现有研究成果，引入网络演算理论，给出了适应于自相似通信量控制的分形整形器（Fractal Regulator）的一般数学模型，推导了无损和有损两种分形整形器的输出特性与输入流的自相似参数以及整形器的整形曲线（Shaping Curve）之间的关系，分析了分形整形器的队列长度与延迟等性能，讨论了分形整形器的引入对网络端到端延迟、数据丢失总数以及平均丢失率等性能的影响。上述分析工作和得出的结果对自相似通信量控制方案的评价和分形整形器参数的设计具有实际意义，为基于自相似通信量的网络性能研究提供基础。（2）利用网络演算理论，提出了基于分形整形器的通用处理器共享（Generalized Processor Sharing, GPS）系统的性能统计上界与确定上界模型在对基于自相似通信量的单节点网络性能研究方面，综述了国内外在GPS系统性能方面所做的主要研究工作，基于已有研究成果，引入分形整形器来对传输到GPS系统入口处的自相似通信量进行整形，建立了以自相似通信量作为输入的GPS系统的性能统计上界模型和性能确定上界模型，包括队列长度统计上界和确定上界、延迟统计上界和确定上界、有效带宽确定上界以及延迟抖动确定上界等性能模型。数学分析表明，基于分形整形器的GPS系统的性能统计上界模型和确定上界模型能够反映通信量的自相似性，并把其输出可用带宽公平地分配给各通信流，并隔离不同的通信流。（3）基于网络演算理论提出了自相似通信量的端到端延迟上界模型在对以自相似通信量作为输入的网络端到端延迟研究方面，利用网络演算理论计算了自相似通信量端到端延迟确定上界问题，推导了利用GPS调度器和分形整形器作为节点模型的自相似通信量端到端延迟理想确定上界及其近似确定上界。数学分析表明，自相似通信量的端到端延迟确定上界随通信量自相似参数的增大而有所减小，这有利于改善通信量自相似程度越高延迟越大所导致的网络性能下降。（4）基于网络演算理论提出了一种保证服务性能模型在对保证服务（Guaranteed Service）性能模型研究方面，提出了一种通用的保证服务性能模型，在边沿-核心（Edge-Core）网络模型的基础上，基于到达曲线（Arrival Curve）和服务曲线（Service Curve）概念给出了网络节点的二级调度模型，利用网络演算理论推导了该模型的队列长度上界和延迟上界、端到端延迟上界和端到端延迟抖动上界以及有效带宽上界等性能保证。数学分析表明，基于网络演算理论的保证服务性能模型为保证服务网络环境提供QoS的有效控制、调度和管理提供一定的参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 术语中英对照表
• 符号说明表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 自相似通信量
• 1.2.1 自相似性
• 1.2.2 自相似性影响网络性能的机理
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 自相似通信量研究
• 1.3.2 网络演算理论及其应用研究
• 1.4 课题主要的研究内容
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 网络演算理论
• 2.1 概述
• 2.2 最小与最大加代数
• 2.2.1 最小加代数
• 2.2.2 最大加代数
• 2.3 通信流体模型
• 2.4 确定网络演算
• 2.4.1 基本工具
• 2.4.2 基本性能确定模型
• 2.5 统计网络演算
• 2.5.1 基本工具
• 2.5.2 基本性能统计模型
• 2.6 IETF服务模型中的确定网络演算应用研究
• 2.6.1 综合服务模型
• 2.6.2 区分服务模型
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于网络演算的分形整形器及其性能
• 3.1 概述
• 3.2 分形整形器
• 3.3 分形整形器性能
• 3.3.1 无损分形整形器性能
• 3.3.2 有损分形整形器性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于网络演算的GPS系统性能统计上界
• 4.1 概述
• 4.2 GPS系统
• 4.3 GPS系统的性能统计模型
• 4.3.1 队列长度统计上界
• 4.3.2 延迟统计上界
• 4.4 数值结果与分析
• 4.4.1 单会话GPS系统
• 4.4.2 多会话GPS系统
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于网络演算的GPS系统性能确定上界
• 5.1 概述
• 5.2 系统模型
• 5.3 系统性能确定模型
• 5.3.1 队列长度确定上界
• 5.3.2 延迟确定上界和延迟抖动确定上界
• 5.3.3 有效带宽上界
• 5.4 数值结果与分析
• 5.4.1 单会话GPS系统
• 5.4.2 多会话GPS系统
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于网络演算的端到端延迟上界
• 6.1 概述
• 6.2 端到端参考模型
• 6.3 端到端延迟确定上界
• 6.4 数值结果与分析
• 6.4.1 单节点延迟确定上界
• 6.4.2 端到端延迟确定上界
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于网络演算的保证服务性能上界模型
• 7.1 概述
• 7.2 服务框架
• 7.2.1 网络模型
• 7.2.2 流源模型
• 7.2.3 保证服务
• 7.2.4 二级调度模型
• 7.3 保证服务性能上界
• 7.4 应用实例
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 工作总结
• 8.2 进一步的深入研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果