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Internet QoS中带宽共享的公平性研究

刘正蓝  
【摘要】: 当前,尽管由于网络技术的发展,网络带宽以及网络速度都得到了极大的提高,但需要通过网络传输的数据却也几乎以与网络发展速度相同的速度增加,甚至超过网络发展的速度,这使得网络带宽与网络速度依然是一个关键问题。同时,近年来发展起来的一些新应用(如多媒体应用,组播应用等)不仅使传输流量增加,更因为这些应用改变了以前的流量性质,因而它们需要全新的服务要求,这也就导致了改变网络的需要。 现有的Internet网络基本上只提供“best-effort”的服务,在这种服务模型下,所有的数据流(traffic)被“一视同仁”,公平地竞争网络资源,这对一些对带宽、延迟、延迟抖动等有特殊要求的应用来说,无疑是不能满足要求的。这些新型的应用直接导致了网络服务质量(Quality of Service,QoS)概念的出现。 本文对QoS系统的研究进行了综述,并对QoS系统研究的未来发展趋势做出了展望。在此基础上,本文对QoS中带宽共享的公平性进行了研究,指出了影响带宽共享公平性的几个因素,并从DiffServ中标记算法以及TCP协议的实现两个方面改善带宽共享的公平性。具体来说,本文的主要成果包括如下几个方面: 1)对当前QoS的几个典型服务模型进行了综述,指出了它们各自的优缺点,在此基础上了,提出了一个端到端的QoS体系结构,将现有的几种服务模型集成起来,对网络资源进行有效地管理,使QoS系统在核心网络具有很好的扩展性,同时在用户网络或访问网络能提供较精细的QoS保证; 2)在标记算法方面,本论文指出了影响带宽共享公平性的几个因素,分析了现有的标记算法在公平性方面所存在的不足,在此基础上,提出了一种自适应的公平数据包标记算法(Adaptive Fair Marker,AFM)。与以往的标记算法不同的是,该算法并不针对具体某一个因素对公平性的影响,也不试图建立一个精确的数学模型,而是按“结果导向”以一种自适应的方式来对可用的网络资源进行重新分配,从而获得很高的公平性; 3)TCP协议的拥塞控制机制已经被证明能有效地防止网络崩溃的发生,但随着网络技术的发展,TCP协议的一些局限性也已经暴露出来了,尤其是在异构网络环境下,其吞吐量性能表现令人堪忧。本论文对TCP协议的演进进行了回顾,并分析介绍了几种典型的针对异构网络环境下的TCP协议实现。在此基础上,本文提出了一种称为基于接收端通告的TCP协议实现(TCP-Rab),它能动态地估计TCP流所能使用的带宽,并在发生丢包错误后对错误类型进行鉴别,进而采取不同的错误恢复策略。对于拥塞导致丢包,则采取与传统TCP协议相同的恢复机制(即窗口减半,并进入拥塞避免阶段的线性增加),而对于链路错误导致丢包,则采取立即恢复策略,将TCP源端的拥塞窗口设置为与其估计带宽相应的数值。 本文在网络仿真软件ns2上对标记算法以及TCP协议进行了仿真实验,结果表明,AFM能在各种条件下获得很高的公平性,而且其链路利用率在绝大部分情况也高于其它算法;而对TCP-Rab的仿真实验结果也证明了它能准确地估 晰仁大毋博士毋位恰我 .时五盆. 计出TCP流所能使用的网络带宽,而且在异构网络环境下能获得很高的吞吐t 性能以及公平性指数。 本论文大致分为三个部分:QoS研究的综述、标记算法以及TCP协议.第 二章为Qos研究的综述,介绍了QoS的几种服务模型(包括Intscry,Di邢erv 以及MPLS)的体系结构以及各自的优缺点。 在标记算法部分,本文首先综述了Diffsery中当前标记算法的研究概况,介 绍几种典型的标记算法,并指出了它们在带宽共享的公平性方面所存在的问题, 这些内容出现在本论文的第三章. 第四章提出了一种新的标记算法:自适应的公平数据包标记算法(Ad即tiv。 Fair Marker, AFM),该章详细介绍了AFM算法的设计以及实现,并进行了详尽 的仿真实验. TCP协议部分,本文的目标主要是解决当前TCP协议在异构网络环境下所 出现的性能以及公平性问题。在第五章,本文对当前TCP协议的研究作了综述, 并着重介绍了在异构网络环境中的TCP协议的研究,介绍了几种典型的TCP协 议的设计与实现,并介绍了它们的错误探测机制以及错误恢复机制. 在此基础上,本文在第六章提出了一种新的TCP协议的实现:TCP.Rab,并 详细介绍了该协议的设计与实现,并提出了其性能模型,最后以仿真实验验证了 Rab在吞吐t、公平性以及友好性方面的优越性. 第七章总结全文,并对未来的研究作出展望。


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