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TCP/IP网络拥塞控制策略研究

王彬  
【摘要】: 由于具有资源共享、信息沟通、可靠性、节约成本等方面的作用,Internet得到飞速的发展与应用,已成为一个重要而无处不在的基础设施。网络应用的巨大需求导致网络系统经常会出现拥塞现象,虽然网络设备的处理速度不断加快、网络带宽持续增长,但是硬件的建设的速度有时赶不上应用需求的增长。更关键的是,IP网络因其固有的无连接、分组交换的特性,不可避免地会造成网络拥塞。因此,拥塞控制对IP网络的鲁棒性和稳定性具有重要作用。目前,TCP/IP网络的拥塞控制策略主要包括两类:基于端主机的拥塞控制策略和基于通信子网的拥塞控制策略,两种策略存在着相互影响、相互作用的关系。 一般来说,基于端主机的拥塞控制策略主要包括TCP拥塞控制策略和非TCP流的拥塞控制。本文针对TCP经常会出现一个窗口的数据中有多个分组丢失的情况,对现有TCP拥塞控制策略的快速恢复算法做出了改进。Internet的发展带来了多媒体等实时应用不断得到增长,这些实时多媒体一般采用UDP协议,而目前的UDP缺乏拥塞控制,在共存的网络环境下对TCP应用造成TCP流得不到公平的带宽、甚至“饿死”,严重的话有可能造成网络崩溃,严重影响了网络的性能。因此,我们提出了一种新的TCP友好的UDP拥塞控制策略。 目前,基于通信子网的拥塞控制策略的研究重点是路由器的队列管理策略。一个良好的控制策略应该基于对系统的准确描述,但由于缺乏对网络系统动态特性的了解,目前的队列管理控制策略大都基于专家经验,缺少一定的理论支持。我们以单一瓶颈链路的简单IP网络为对象,通过建立网络基本单元状态方程模型来实现整个网络系统的数学解析模型。并在模型实验分析的基础上,对路由器队列管理策略的控制目标和算法设计进行了研究。 论文的主要研究内容和创新点包括以下几个方面: 1.针对网络拥塞时TCP应用出现同一回程时间(RTT)内多个分组丢失、及丢失恢复过程中又出现分组丢失的情况,提出了一种新的TCP拥塞控制快速恢复算法:即时恢复算法。仿真结果表明:该算法跟同类的算法相比,实现相对简单,性能较好; 2.提出了一种TCP友好的、基于显式速率的UDP拥塞控制策略:通过端主机和网络中的路由器相互配合,使得实时UDP应用能够根据网络的反馈以瓶颈链路的公平带宽为速率发送数据。该算法跟同类算法相比,在吞吐量、TCP友好性等方面性能有较大提高; 3.基于流体流理论,从数据传输的角度,根据网络设备情况将网络系统分 浙江大学博士学位论文 解为各个独立的子对象,通过建立子对象的模型来构造IP网络系统的数 学解析模型; 4.运用混杂系统来描述TCP拥塞控制策略的数据传输过程。结合上述的IP 网络系统模型,实现了对TCP/IP网络数据传输动态过程的描述,并通过 Matlab仿真与NS仿真的实验结果对比,验证了TCP/IP动态模型的正确 性与有效性; 5.基于上述TCP/IP数学解析模型,对现有的主动队列管理策略进行了分 析,提出了队列管理策略的主要控制目标,然后设计了一种带有非线性 补偿的新的主动队列管理策略,仿真显示了该算法的性能要优于目前的 RED、Pl等算法。


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