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基于非合作博弈模型的QoS分配中关键技术的研究

陶军  
【摘要】: 当今的Internet中,网络的用户为了各自的利益而相互“扭斗”,随着网络多媒体应用的广泛应用与普及,“扭斗”现象日趋严重和激烈,因此这些多媒体传输应用对网络的QoS支持提出了更高的要求,迫切地需要网络能够进行动态的,高效的QoS分配。然而传统的尽力而为的转发机制服务、异构性和动态性将仍将是Internet的一个长期特征,很难提高网络的可用性以满足上述应用的要求,所以对支持QoS分配技术的研究引起了广泛的关注。 长期以来,对支持网络QoS分配技术的研究与性能评价都是从纯粹工程技术的角度出发,如链路利用率、吞吐量等。这些方法着重去改进与提高技术的某项或几项性能指标,而忽略了端用户的非合作行为。从根本上说,传统的QoS分配中关键技术的设计与优化,在具备较高的技术性能指标的同时,对端用户的行为缺乏合理的解释。在当今缺少约束的Internet中,端用户不能心甘情愿地被约束,没有人积极地遵守和采用以上研究的协议与技术,他们会采取各种方式去冲破这种束缚,例如,采用不受TCP拥塞控制约束的方式发送数据(UDP报文)。这将成为Internet进一步发展的障碍,埋下拥塞崩溃的隐患。 因此,在研究网络QoS分配技术时,有必要引入新的研究方法和理论,博弈理论是这项研究理所当然的数学工具之一,为该研究提供了坚实的数学基础。本论文使用博弈理论对贯穿整个QoS分配中的流速与拥塞控制、路由选择和资源分配等关键技术进行了深入的研究,全面地剖析了端用户的非合作行为本质。 在流速与拥塞控制的研究中,本论文通过研究端系统的非合作行为,讨论了非合作拥塞博弈模型中流速率的Nash均衡解。在此基础上,面向单链路环境设计了符合TCP友好要求的异步流速控制算法(FCAG-SL)和同步流速控制算法(FCSG-SL);然后创造性地提出多跟随者和多层次Stackelberg拥塞博弈模型,研究存在等级关系的网络端系统的博弈行为,设计与实现了存在等级关系端系统的多层次流速控制算法(HCAS);最后本论文研究了重复拥塞博弈模型,讨论了几种有效的惩罚威胁策略以规范用户的非合作行为,设计了基于无限重复博弈模型的流速控制算法(FCAR)。 在路由选择的研究中,本论文研究了自私性路由博弈模型,研究与推理了路由均衡的解析解。研究了“原子”路由博弈与“非原子”路由博弈的特点。设计与实现了基于博弈理论的自私性路由选择算法(SRAG),并创造性地将自私性路由博弈与流速拥塞博弈结合。 在资源分配的研究方面,本论文提出资源分配博弈模型,设计了一种基于端系统竞价的资源定价机制,创造性的提出能反映竞价风险的端系统效用函数。设计了一种基于博弈理论的资源分配算法(RANG)。 此外,论文通过仿真实验分别对所提出的算法进行了分析和验证,并对论文进行了总结,指出了不足以及将来的研究方向。


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