高速网络拥塞控制研究

论文摘要

随着Internet的飞速发展，用户数量迅速增加，新的网络应用不断涌现，使得网络流量急剧增加，由此引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。拥塞易造成传输延迟和吞吐量等QoS性能指标下降，导致网络性能下降、网络资源利用率降低，从而无法提供有效的QoS保证。因此，有效地解决拥塞问题对于提高网络性能具有重要意义，而网络拥塞控制研究也成为当前计算机网络和控制理论交叉领域研究的一个热点课题，不仅具有重要的理论价值，同时具有广泛的应用研究背景和意义。 本文的课题主要来源于国家自然科学基金重点项目（60334010）；国家自然科学基金项目（60474047）；高等学校博士学科点专项基金项目（20030561013）；广东省自然科学基金博士启动项目（04300046）。通过对Internet网络拥塞控制领域最新研究成果系统的分析和总结，利用基于控制理论和优化理论的TCP／AQM对偶模型和TCP动态流体模型，结合成熟的先进控制技术，本文设计了两种基于端主机的新的Vegas源端算法和五种基于路由端的新的鲁棒AQM链路算法，所设计的新算法在提高网络的性能，提高网络资源的吞吐量和利用率，以及适应网络环境动态变化的鲁棒性等方面都有较大的改进，同时体现了较好的公平性，从而能够提供有效的QoS保证，并通过仿真实验验证了新算法的性能。本文主要研究工作的内容和创新点包括以下几个方面： 1．基于优化理论和对偶模型，提出了一种改进的Vegas算法。仿真结果表明，采用改进算法合理地设置Vegas的参数，在保持较高的利用率和极低的丢包率的同时，明显地改善了Vegas和Reno之间竞争的公平性。 2．基于源端算法在稳定状态下的循环模型，详细分析了TCP Vegas算法的不足，设计了一种新的加强型Vegas（NE-Vegas）算法。所设计的算法能够有效的解决Vegas连接在网络路由改变造成的吞吐量持续下降问题，同时有效的改善Vegas与Reno之间竞争的公平性。通过仿真实验验证了NE-Vegas算法的高效性和公平性。 3．充分利用模糊控制理论在处理不确定性问题上的优越性，设计了一种基于模糊自适应PI的主动队列管理（AQM）算法，通过仿真说明，所设计的算法能在保证队列控制的稳定性基础上，加快队列收敛速度，

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络拥塞的定义及产生原因
• 1.3 网络拥塞控制的定义
• 1.4 网络拥塞控制的研究进展
• 1.5 论文研究内容
• 1.6 论文结构
• 1.7 本章小结
• 第二章 TCP／IP拥塞控制策略及相关研究进展
• 2.1 引言
• 2.2 TCP拥塞控制策略及发展
• 2.2.1 TCP拥塞控制的基本算法
• 2.2.2 TCP源端算法的发展
• 2.3 IP路由器端拥塞控制策略研究
• 2.3.1 被动式队列管理及其存在的问题
• 2.3.2 主动队列管理技术和RED算法
• 2.3.3 主动队列管理算法（AQM）的改进和研究进展
• 2.4 高带宽时延积网络拥塞控制策略研究
• 2.4.1 高性能网络中传统TCP面临的挑战
• 2.4.2 高带宽时延积网络拥塞控制策略相关研究成果
• 2.5 控制理论在网络拥塞控制中的应用
• 2.5.1 主动队列管理算法参考模型
• 2.5.2 基于经典控制理论的拥塞控制
• 2.5.3 基于优化理论的拥塞控制
• 2.5.4 可扩展稳定网络拥塞控制
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于端到端的TCP拥塞控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 Vegas算法的发展及存在的问题
• 3.2.1 Vegas算法简介
• 3.2.2 Vegas算法存在的问题
• 3.2.3 相关研究工作
• 3.3 基于优化理论／对偶模型的改进Vegas算法
• 3.3.1 TCP／AQM对偶模型简介
• 3.3.2 TCP Vegas算法的优化理论模型
• 3.3.3 公平性问题分析
• 3.3.4 改进算法设计
• 3.3.5 仿真实验
• 3.3.6 结论
• 3.4 一种新的加强型Vegas算法（NE-Vegas）设计
• 3.4.1 TCP vegas和TCP Reno在拥塞避免阶段的分析模型
• 3.4.2 NE-Vegas算法设计
• 3.4.3 仿真实验
• 3.4.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于IP路由端的拥塞控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 TCP／AQM反馈控制算法参考模型及PI算法
• 4.2.1 TCP／AQM反馈控制算法参考模型
• 4.2.2 比例-积分PI控制器
• 4.3 基于模糊自适应PI控制器的AQM算法
• 4.3.1 基于模糊自适应PI控制器的设计
• 4.3.2 仿真实验
• 4.3.3 结论
• 4.4 基于反步法设计的鲁棒AQM算法
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 反步法简介
• 4.4.3 系统描述与假设
• 4.4.4 输出反馈控制器设计
• 4.4.5 仿真实验
• 4.4.7 结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于时滞系统鲁棒控制的拥塞控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于smith预估器的鲁棒AQM算法
• 5.2.1 TCP／AQM控制模型及其一阶近似
• 5.2.2 基于Smith预估器的PI算法设计（Smith-PI）
• 5.2.3 仿真实验
• 5.2.4 结论
• 5.3 基于增益自适应smith预估器的鲁棒AQM算法
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 增益自适应Smith预估补偿控制AQM算法（GAS-PI）设计
• 5.3.3 仿真实验
• 5.3.4 结论
• 5.4 基于Lyapunov泛函的多变量时滞系统分析技术的拥塞控制研究
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 系统分析
• 5.4.3 鲁棒AQM控制算法设计
• 5.4.4 仿真实验
• 5.4.5 结论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 研究工作总结
• 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢