TCP性能改进与优化的多播路由算法研究

论文摘要

实时多媒体流应用目前已成为多媒体网络的一个热点研究方向，尤其是网上远程教学的强力需求推动着这一方向的研究。人们不仅需要通过网络把实时多媒体流送到各个异地的教学点，而且需要稳定和较高的品质。由于主要依靠TCP传输协议的Internet网络是个尽力而为的网络，目前的多媒体流应用仍缺乏有效的拥塞控制机制，使其在相同网络条件下不能与TCP流公平的竞争带宽。因而，针对多媒体流“TCP友好的”（TCP-Friendly）拥塞控制机制是当前计算机网络领域的研究热点；无线网络中目前主要采用传统的传输协议，如何改进已有的TCP传输协议性能以适应无线网络的特征也是人们关注的焦点；另一方面采用多播的方式如何在传输多媒体流时有效地节省网络资源及多播路由中保证服务质量（QoS），也是必须解决的问题。本文以研究TCP性能的改进方法和保证服务质量的多播路由问题为目标。试图通过对多媒体流TCP友好的拥塞控制机制、无线网中改进传输控制协议TCP性能方法的研究和优化多媒体流多播路由算法，以满足远程教育及众多应用领域的需求。 本文对这一课题的研究着重集中在以下三个方面： 第一，寻求一种既能保证TCP友好又能考虑到多媒体流自身特点的“端到端”拥塞控制机制，重点研究TCP友好与速率阈值限定的权衡问题；第二，针对传统的TCP协议在移动计算环境下存在诸多问题，试图采用显式通告机制改进TCP的性能；第三，对于实时性要求高的多播应用，提出新的满足时延、时延抖动约束的多播源路由算法。网络在满足应用服务请求的同时，应尽可能地降低资源的消耗。用优化的试探方法解决多个多媒体流分发问题。 本文的主要工作和创新点在于如下工作： 1．针对TFRC（TCP-Friendly Rate Control）机制不适应多媒体流的最低速率阈值限定的特性，本文在基于建模的TCP友好的拥塞控制理论基础上提出基于阈值限定的媒体流TCP友好的拥塞控制机制—TCRC（Threshold-Constrained Rate Control），在此基础上进一步地提出一种基于多路复用的TCRC改进机制MTCRC（Multiplexing-TCRC）。实验结果显示：在低丢失率的链路中，MTCRC协议和TFRC协议都具有很好的TCP友好性；在高丢失率的链路中，MTCRC则比TFRC具有更好的TCP友好性；MTCRC流能保证运行时的发送速率始终在最低速率阈值以上，从而保持多媒体流的可用性。 2．通过扩展TCP协议使发送方能够区分包排序和丢包，减少不必要的“超时重传”和“快速重传”以改善TCP的性能。在改进累积的显式传输出错通告协

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 引言
• 1.1 多媒体流的TCP友好拥塞控制机制研究
• 1.1.1 TCP友好拥塞控制机制研究最新进展
• 1.1.2 现有机制的缺陷
• 1.2 无线网络中TCP协议性能的改进
• 1.3 改进无线网络中TCP性能的机制的方法
• 1.3.1 分段连接
• 1.3.2 链路层机制
• 1.3.3 端到端的机制
• 1.4 多播技术最新发展
• 1.4.1 保证服务质量
• 1.4.2 无线网络中的多播
• 1.5 本文工作及结构
• 第2章 TCP友好的拥塞控制机制
• 2.1 TCP协议描述
• 2.2 TCP拥塞控制机制的研究现状
• 2.2.1 拥塞和拥塞控制基本概念
• 2.2.2 Internet的网络模型
• 2.2.3 TCP协议的发展
• 2.2.4 拥塞控制源算法的研究热点
• 2.3 TCP友好的（TCP-friendly）
• 2.4 TCP友好的拥塞控制机制分类
• 2.4.1 基于窗口与基于速率
• 2.4.2 单播与多播
• 2.4.3 端到端与路由器支持
• 2.5 典型的TCP友好的拥塞控制机制
• 2.5.1 RAP
• 2.5.2 TEAR
• 2.5.3 TFRC
• 2.5.4 PCC
• 2.5.5 典型机制的比较
• 2.6 TCP吞吐量建模
• 2.6.1 基础模型
• 2.6.2 考虑超时重传的复杂模型
• 2.5.3 两个模型的对比
• 2.7 小结
• 第3章 一种基于阈值限定的拥塞控制机制
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.3 TCRC机制
• 3.3.1 设计目标
• 3.3.2 TCP友好速率计算
• 3.3.3 速率调整
• 3.3.4 状态转换图
• 3.3.5 暂态计时器
• 3.3.6 TCP友好性与最低发送速率阈值之间的权衡策略
• 3.3.7 算法实现
• 3.4 模拟结果分析
• 3.4.1 模拟链路出现暂时拥塞时的状况
• 3.4.2 模拟链路出现持续拥塞时的状况
• 3.5 小结
• 第4章 一种基于多路复用的TCRC改进机制
• 4.1 引言
• 4.2 MTCRC机制
• 4.2.1 MTCRC机制的要求
• 4.2.2 基本思想
• 4.2.3 引入概率算法
• 4.2.4 保护期及保护时间
• 4.2.5 挂起态/最低速率态的时间
• 4.2.6 算法实现
• 4.3 模拟实验
• 4.3.1 TCP友好性
• 4.3.2 不稳定环境下MTCRC的行为
• 4.4 MTCRC的可能扩展
• 4.4.1 挂起时的探测
• 4.4.2 多播MTCRC
• 4.5 小结
• 第5章 无线网中改进传输控制协议的研究现状
• 5.1 显式通告传输控制机制的研究方法
• 5.2 ENS的研究进展
• 5.2.1 显式丢失通告（ELN）机制
• 5.2.2 显式的传输错误通告（ETEN）机制
• 5.2.3 多路复用的ECN信道（M-ECN）机制
• 5.3 总结
• 第6章 使TCP更健壮的RR-CETEN算法
• 6.1 引言
• 6.2 相关工作
• 6.3 CETEN机制及问题
• 6.3.1 估计包丢失和包出错速率的算法
• 6.3.2 CETEN存在的问题分析
• 6.4 避免假的快速重传的算法RR-CETEN
• 6.4.1 数据结构的定义
• 6.4.2 接收方处理的过程
• 6.4.3 发送方的处理过程
• 6.4.4 发送方执行的过程
• 6.5 实验模拟结果
• 6.5.1 与LEAST估计值的比较
• 6.5.2 RR-CETEN与CETEN的比较
• 6.5.3 RR-CETEN的公平性和友好性
• 6.5.4 算法安全性分析
• 6.6 总结
• 第7章 保证服务质量的多播源路由算法
• 7.1 多播路由主要算法介绍
• 7.1.1 KPP算法
• 7.1.2 BSMA算法
• 7.1.3 SL算法
• 7.1.4 Widyono算法
• 7.1.5 RB算法
• 7.2 基于链路可共享性的多播路由算法
• 7.2.1 链路可共享性的概念
• 7.2.2 基于链路可共享性的算法
• 7.2.4 算法的正确性和复杂性
• 7.2.5 算法模拟实验
• 7.2.6 小结
• 7.3 时延及时延抖动约束的多播路由算法
• 7.3.1 带有时延和抖动约束的多播路由问题
• 7.3.2 算法描述
• 7.3.3 算法分析
• 7.3.4 模拟实验
• 7.3.5 小结
• 7.4 总结
• 第8章 优化的多媒体流多播选路的试探算法
• 8.1 引言
• 8.2 多个多播流的分发问题
• 8.2.1 多播流的分发问题的描述
• 8.2.2 多节目多播路由问题的解
• 8.2.3 算法的思想
• 8.2.4 算法的描述
• 8.2.5 时间复杂性分析
• 8.2.6 实验结果分析
• 8.2.7 结论
• 8.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A （攻读学位期间所发表的相关学术论文目录）
• 附录B （攻读学位期间所参与的项目目录）
• 致谢