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《电子科技大学》 2009年
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光突发交换网络和混合光网络上的TCP性能研究

张棪  
【摘要】: 作为一种新型的光交换技术,光突发交换(OBS,Optical Burst Switching)结合了电路交换和分组交换的优点而克服了两者的部分缺点,受到了业界的关注。而混合光网络(HON,hybrid optical network)综合了现有光交换技术的优势,能够应对未来网络需要承载多种业务的需求,也被认为具有良好的应用前景。另一方面,作为最重要的传送层协议和互联网端到端拥塞控制的主要组成部分,TCP在各种网络环境中的性能一直以来都受到广泛的关注。本文研究了光突发交换网络上和混合光网络上TCP的性能,主要包括以下四部分工作:TCP多个包丢失问题研究、TCP over OBS的连续多个包丢失问题研究、高速TCP在OBS网络上的性能研究和TCP over HON的性能研究。 当同一拥塞窗口内有多个包出现丢失以后,TCP的发送端很容易出现超时重传,本文将这一现象称之为“TCP多个包丢失问题”。TCP多个包丢失问题很早就被研究者所关注,但是目前关于TCP多个包丢失问题的解释并不准确,也缺乏理论上的详细推导。作者在第二章中提出了一种基于窗口变量的分析方法,并使用该方法对同一拥塞窗口中有多个包丢失以后TCP发送端的窗口变化过程和发送行为进行详细推导,给出了对TCP多个包丢失问题产生原因的准确解释,并在理论上得出了TCP在丢包以后出现超时重传的条件,即丢失包数目、拥塞窗口大小和丢失包之间距离这三个因素之间的具体关系,作者还根据上述关系给出了TCP在发生丢包以后出现超时重传的概率模型。第二章的研究结论为本文后续的研究工作提供了必要的理论依据。 根据第二章的结论,作者在第三章中提出了TCP over OBS的连续多个包丢失问题,即OBS网络中的突发包丢失很容易导致TCP出现超时重传,从而导致TCP的吞吐率下降。作者指出,连续多个包丢失是造成“错误超时”的重要原因之一,会严重影响TCP在OBS网络上的吞吐率性能。虽然使用TCP的版本New-Reno和SACK可以在一定程度上更好的应对OBS网络上的连续多个包丢失,但是它们都存在各自的缺点。作者提出了一种新的TCP版本B-Reno(BurstReno),它能够克服TCP over OBS的连续多个包丢失问题。B-Reno的核心思想是在发现丢包之初和在快速恢复阶段的每一个重传轮里一次性重传多个连续丢失包,因此跟New-Reno相比,B-Reno能大大缩短了快速恢复的时间;而同时,B-Reno不需要接收端的特别支持,因此它跟SACK相比又具有更低的协议复杂度和配置难度。作者通过大量的仿真对B-Reno的性能进行了验证,结果显示,在OBS网络上B-Reno能够取得优于New-Reno而和SACK相当的吞吐率性能。作者还对B-Reno的吞吐率进行了数学建模,该模型能够较好的评估突发包丢失率较小的情况下单个B-Reno流在OBS网络上的吞吐率。在第三章最后,作者对B-Reno在传统分组交换网络中的性能进行了验证,仿真实验的结果显示,B-Reno在分组交换网络中也能工作得很好。 OBS网络从本质来说是一种高速网络,通常具有较大的带宽时延乘积(BDP,bandwidth delay product),因此适合应用各种高速TCP协议。作者在第四章中对5种高速TCP协议在OBS网络上的性能进行了研究。首先通过仿真实验证明,高速TCP在OBS网络上也存在连续多个包丢失问题,该问题会削弱高速TCP带宽利用率高的优势。接下来通过仿真实验的方法指出并分析了高速TCP在OBS网络上使用和不使用SACK的区别:相同条件下使用SACK的高速TCP能够取得比不使用SACK的高速TCP明显更高的吞吐率。针对B-Reno应用于OBS网络上的高速TCP时恢复效率不足的问题,作者提出了B-Reno的改进版本—aB-Reno(adaptive B-Reno),它是一种可以取代SACK的针对高速TCP在OBS网络上连续多个包丢失问题的良好解决方案。跟B-Reno相比,aB-Reno能够根据连续丢失包的数目自动调整重传包数目,从而可以显著缩短高速TCP在发现丢包以后的快速恢复时间;而跟SACK相比,aB-Reno不需要接收端的特别支持,易于配置。作者通过仿真实验证明,在丢包率较低而接入带宽较大的OBS网络上,当应用于相同的高速TCP协议时,aB-Reno能够取得优于B-Reno而和SACK相当的吞吐率性能。在第四章最后,作者还对5种高速TCP在OBS网络上的吞吐率性能进行了比较和分析。 混合光网络中,光交换方式的切换会引起被传送业务的路由发生振荡,而路由振荡会引起数据包的乱序,从而导致TCP出现“错误快速重传”(spurious fastretransmission),使得吞吐率下降。在第五章中,作者提出了一种针对混合光网络上TCP错误快速重传问题的解决方案—ENDFR(Explicit Notification for DelayedFast Retransmission)算法。ENDFR算法使用显示通告的方法使TCP发送端在混合光网络边缘节点的帮助下对即将发生的数据包乱序进行预判,进而采取延迟响应的措施来避免发生错误快速重传。跟目前大多数针对数据包乱序问题的解决方案相比,ENDFR算法避免了复杂的数据包乱序侦测机制,实现方式简单。作者通过仿真实验证明,该方案能够有效的解决混合光网络上TCP的错误快速重传问题,显著提升TCP的吞吐率性能。 为验证、评估本文所提各种TCP版本和改进算法的性能,作者使用NS2(Network Simulator version 2)软件自行开发了相关的网络仿真平台。第六章介绍了作者使用NS2软件开发的OBS网络和混合光网络仿真平台,给出了重要数据结构以及伪码。最后是全文总结。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN929.1

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