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基于效用最优化的多路径网络资源分配研究

李世勇  
【摘要】:随着网络应用的日益普及和新兴业务的不断涌现,互联网中的业务量急剧增长。由于网络所能提供的传输能力大多是一定的,如何将有限的网络资源,以合适的方式有效的分配给用户或者业务,就成为网络资源分配研究所要考虑的问题。采用微观经济学中的效用理论,对网络资源分配问题进行建模和分析,成为近年来研究人员关注的热点。 论文考虑了利用多路径传输协议实现数据传输的网络,分析了这种多路径网络中的资源分配问题,建立了多路径网络效用最大化模型,利用非线性规划理论分析了模型的最优解,得到了路径收取的价格和用户支付的价格之间的关系,针对不同的资源分配目标提出了相应的分布式流量控制算法,实现了面向服务、以用户为中心的网络资源最优分配。论文的具体工作如下: (1)从互联网跨层的角度分析了多路径网络资源分配问题,将所对应的多路径网络效用最大化模型分解为多个独立的子问题,得到了所对应的网络各层的经济学模型。针对资源分配的公平性目标,通过选择不同的效用函数,得到了多种资源公平分配方案,包括比例公平性、最大最小公平性等,并提出了相应的分布式流量控制算法,算法可以收敛到资源分配模型的最优点。 (2)分析了并行多路径网络资源分配问题,针对资源分配的多种不同公平性,分别得到了用户的最优带宽分配表达式。为了在网络中实现该最优带宽分配,提出了一类分布式流量控制算法,而算法的平衡点就是资源的最优分配,同时利用李雅普诺夫稳定性理论证明了算法在平衡点处的全局渐近稳定性,从而该算法从任何初始状态出发总能收敛到资源的最优分配。 (3)当源端和目的端之间存在多条并行可用路径,但却仅选择其中的一条作为主路径,而其他路径作为备用路径时,分析了动态主路径上的资源分配问题。针对资源的公平分配,得到了用户在主路径上的最优带宽分配,并提出了一类流量控制算法,算法的平衡点就是最优的资源分配,并证明了算法在平衡点处的全局渐近稳定性。 (4)对于网络中存在的多种服务,根据服务获得的效用不同大致可分为弹性服务和非弹性服务。对于弹性服务的资源分配问题,得到了在资源的最优分配处,服务所使用的多条路径的价格是相等的。提出了一类分布式流量控制算法,可以收敛到最优资源分配。针对并行多路径网络,得到了各个服务最优资源分配的具体表达式。 (5)非弹性服务的效用函数不是凹函数,因此非弹性服务的资源分配问题是一个较难处理的非凸规划问题。针对非弹性服务资源分配问题,分析了非弹性服务所使用的多条路径的传输能力,得到了为使服务能够获得非零的最优资源分配,瓶颈链路应该满足的带宽阂值。基于粒子群方法提出了一类流量控制算法,实现了非弹性服务的最优带宽分配。 (6)考虑了一体化网络体系架构,基于网络效用最大化的思想提出了服务层的映射模型,从微观经济学的角度得到服务层和网通层之间的映射关系。分析了非弹性服务应该满足的最低带宽值,得到了网络对服务的接入控制策略与链路价格之间的关系。根据模块之间的参数和映射关系,提出了标识设计应满足的要求,给出了一种可能的标识设计思路。 本文将微观经济学中的效用理论应用于多路径网络的资源分配中,有助于从理论上明确资源分配的目标和要求,进而探讨有效的网络资源分配机制和算法,而且研究成果对网络体系架构及协议和算法的设计与优化也提供了有益的思路。


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