异构网络中基于网络状态区分的拥塞控制研究

论文摘要

随着网络技术的发展,网络应用和数据量急剧增长,甚至超过了网络有限的资源和处理能力,从而产生网络拥塞或崩溃。因此,如何采取有效的拥塞控制措施保持网络传输的畅通成为人们关注的现实问题。另一方面,新的传输介质和网络协议标准不断涌现,网络逐渐呈现异构化的特点。传统的TCP协议的拥塞控制面临一系列新的挑战并出现性能下降问题。原因主要有以下两点：第一,丢包不一定是网络拥塞造成的；第二,单纯把网络划分为拥塞和非拥塞两个简单状态也不能够准确描述网络的实际状态。准确区分网络的多种状态是提高算法在异构网络环境下性能的有效途径。目前已经比较成熟的基于网络状态区分的TCP改进协议主要有TCP Westwood、TCP Vegas和TCP Veno等。通过引入新的网络状态参数或者对已有网络参数的分析和计算,得到划分网络当前状态好坏的标准,进而采取更加合理有针对性的拥塞控制措施。本文在前人研究的基础上,主要对TCP Vegas和TCP Veno协议进行了合理改进,实验结果表明取得了较好的性能表现。研究工作主要有以下几个方面：第一,TCP Vegas存在在慢启动阶段可能会出现因拥塞窗口爆发性增长而使得慢启动过早结束；在拥塞避免阶段非对称网络中的反向拥塞导致的吞吐量骤降以及在与TCP Reno共存时的兼容性差等问题,本文的改进算法对网络状态进一步细化,实现了在慢启动和拥塞避免两个阶段根据网络的实际状态动态调整拥塞窗口大小。实验结果表明,在慢启动阶段以一种介于线性增长和指数增长之间的方式调整拥塞窗口,并且在拥塞避免阶段通过前后两个RTT的时延和吞吐量变化调整拥塞窗口可有效提高TCP Vegas的传输效能。第二,针对在高误码率环境下TCP Veno对最小往返延时（BaseRTT）难以进行准确的估计以及不能很好适应网络流量的突发性特征导致性能大幅度降低的问题,提出一种改进算法TCP Veno+。通过时延和吞吐量两个性能指标划分网络的不同拥塞状态,对TCP Veno的AIMD算法进行了改进。实验结果证明,改进算法的拥塞控制策略更加适合网络的具体状态,在高误码率环境下相对于TCP Veno取得了良好的性能表现。第三,TCP Veno协议在包含无线连接的网络环境中相对传统TCP协议有很大改进,但同时有研究指出TCP Veno在轻负载网络环境中不能有效利用带宽,在重负载网络环境中不能准确区分拥塞丢包和无线随机丢包而造成频繁拥塞。提出改进算法TCP Veno-S通过对一定时间段内拥塞丢包和无线随机的丢包的数量统计,根据丢包率的变化区分网络状态的变化。实验结果证明,改进算法提高了网络状态划分的准确性,对于丢包原因判断的准确率和带宽利用率都有较大提高,且具有较好的公平性和稳定性。本文研究的意义在于：改进算法区分了网络的多种不同状态,采取对应的拥塞控制措施提高了网络性能,这与当前网络异构化、状态复杂化的发展情况相适应；另一方面,从实用性角度来说,改进算法只需修改端系统,无需修改网络中的众多路由器,且只增加少量参数或利用已有的网络参数来提取出有用信息,用于区分网的不同状态,实现的开销较低；此外改进算法的公平性和兼容性也表现良好。总体来说,本文的研究成果具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拥塞控制概述
• 1.1.1 拥塞产生的原因
• 1.1.2 拥塞控制措施及其性能评价
• 1.2 课题的研究背景及现状
• 1.3 本文的内容及安排
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第二章 异构网络中基于网络状态区分的拥塞控制综述
• 2.1 概述
• 2.2 TCP在异构网络中的问题
• 2.3 TCP在异构网络中的解决方案
• 2.4 异构网络中基于网络状态区分的TCP改进协议
• 2.4.1 TCP Westwood
• 2.4.2 TCP Vegas
• 2.4.3 TCP Veno
• 2.5 NS2简介
• 2.6 小结
• 第三章 基于动态带宽估计的TCP Vegas改进算法
• 3.1 引言
• 3.2 改进的TCP Vegas算法
• 3.2.1 改进的慢启动算法
• 3.2.2 改进的拥塞避免算法
• 3.3 仿真实验与性能分析
• 3.4 小结
• 第四章 高误码率环境中的TCP Veno改进算法
• 4.1 引言
• 4.2 TCP Veno存在的问题
• +'>4.3 TCP Veno⁺
• 4.4 仿真实验与性能分析
• 4.5 小结
• 第五章 基于丢包事件统计的TCP Veno改进算法
• 5.1 引言
• 5.2 TCP Veno-S
• 5.3 仿真实验与性能分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 读研期间发表的论文
• 致谢