用户自私行为对网络性能影响的研究

论文摘要

计算机网络是互连的计算机及其它相关设备构成的整体,它使众多的计算机可以互相通信,从而共享资源和信息。一方面,网络性能决定了用户的行为,比如,用户可以根据网络性能决定否加入该网络;另一方面,随着计算机技术和网络技术的进一步发展,用户的行为也对网络性能产生了越来越重要的影响。本文研究了无线网络和P2P网络中用户的自私行为及其对网络性能的影响,主要研究成果如下:1.无线局域网中的自私功率控制问题:本文研究了在满足吞吐量要求的前提下,节点自私的功率控制行为及其对无线局域网性能的影响。针对非相干频移键控（Non-coherent Frequency Shift Keying,NFSK）调制方式,本文证明了在给定信道状况的前提下,单一链路存在最优的发送功率以及相应的最优传输策略。假定每个单位时间有且仅有一个链路可以调整传输策略,且该链路始终选择对自己最有利的,本文提出了一个重复的动态博弈。由于链路会将发送功率从干扰较高的时间段移到干扰较低的时间段,该博弈在某些情况下无法收敛,因此本文引入惩罚函数以确保收敛,并研究了不同惩罚函数的性能。模拟实验结果表明,惩罚函数越大,博弈收敛越快,但是博弈收敛的速度与稳定状态时能量消耗的大小没有直接联系。2.无线多跳网络中的自私速率调整问题:本文研究了在满足吞吐量要求的前提下,节点自私的速率调整行为及其对无线多跳网络性能的影响。针对IEEE 802.11无线多跳网络,本文证明了在给定信道状况的前提下,单一链路存在最优的传输策略。假定每个单位时间有且仅有一个链路可以调整传输策略,且该链路始终选择对自己最有利的,本文提出了一个重复的动态博弈。由于自私的速率调整行为的存在,链路调度顺序会影响吞吐量要求的可行性以及总功率消耗,因此本文引入定价函数,促使链路公平有效地分享信道。模拟试验结果表明,采用定价函数后不仅导致了更多的可行解,同时也降低了总功率消耗。3.BitTorrent系统的建模:在BitTorrent系统中,peer的到达和离开导致了peer的动态性;此外,peer通过乐观疏通（Optimistic Unchoking）机制和针锋相对（Tit-for-Tat）原则选择邻居,由此导致了连接的动态性。本文研究了peer的动态性和连接的动态性,发现具有不同连接数的peer在选择邻居时有不同的行为。因此本文定义了peer状态,以及由系统中所有peer的状态决定的系统状态,并计算出动态因素发生时,系统在不同状态间的跳转率,由此得到一个基于马尔可夫链的随机模型。基于此模型,本文研究了系统在稳定状态时的性能。模拟实验验证了模型的精确性,并发现系统稳定时,文件大小对peer实际使用的平均连接数有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 计算机网络简介
• 1.1.1 无线网络
• 1.1.2 P2P网络
• 1.2 网络性能与用户行为
• 1.2.1 无线网络中网络性能与用户行为
• 1.2.2 P2P网络中的网络性能与用户行为
• 1.3 本文的主要研究内容和贡献
• 1.4 本文的组织
• 2.数学分析工具
• 2.1 数学分析工具简介
• 2.1.1 博弈论简介
• 2.1.2 马尔可夫链简介
• 2.2 数学分析工具在本文中的应用
• 3.无线局域网中的自私功率控制问题
• 3.1 问题描述
• 3.2 系统模型
• 3.3 传输策略选择
• 3.3.1 固定信道状况
• 3.3.2 可变的信道状况
• 3.4 自私的功率控制对网络性能的影响
• 3.4.1 重复的动态博弈
• 3.4.2 博弈的稳定性
• 3.4.3 惩罚函数
• 3.4.4 模拟试验
• 3.5 相关工作
• 3.6 本章小结
• 3.7 本章附录
• 4.无线多跳网络中的自私速率调整问题
• 4.1 问题描述
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 网络模型
• 4.2.2 信号衰减模型
• 4.2.3 IEEE 802.11协议
• 4.2.4 冲突模型
• 4.3 传输策略选择
• 4.3.1 单链路场景中的最优传输策略
• 4.3.2 多链路场景中的最优传输策略
• 4.4 自私的速率调整对网络性能的影响
• 4.4.1 重复的动态博弈
• 4.4.2 调度顺序
• 4.4.3 定价函数
• 4.4.4 模拟实验
• 4.5 相关工作
• 4.6 本章小结
• 5.BITTORRENT系统的建模
• 5.1 背景知识
• 5.1.1 BitTorrent网络结构及原理
• 5.1.2 邻居节点选择算法
• 5.1.3 TCP连接数
• 5.2 一个基于马尔可夫链的随机模型
• 5.2.1 Peer邻居选择行为的建模
• 5.2.2 系统状态的建模
• 5.2.3 系统性能的估算
• 5.3 模拟试验
• 5.4 相关工作
• 5.5 本章小结
• 5.6 附录
• 5.6.1 ρ（i,j）的估算
• +（j）的估算'>5.6.2 γ⁺（j）的估算
• -（i,j）的估算'>5.6.3 γ^-（i,j）的估算
• 6.总结
• 6.1 本文的研究内容和成果
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果和发表的论文