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TCP/IP拥塞控制策略研究

杨燕  
【摘要】:进入九十年代以来,以IP为基础的Internet呈爆炸式增长,新型网络应用不断涌现,用户数量迅速增加,使Internet的流量急剧增加,由此而引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。拥塞容易造成传输延迟和吞吐量等QoS(Quality of Service)性能指标下降,严重影响了带宽、缓存等网络资源的利用率,因此有效地解决拥塞问题对于提高网络性能具有重要意义,如何更好地预防和控制拥塞一直是近年来国际上网络研究领域的热点问题。 目前Internet仅提供单一的“best effort”服务,其资源分配主要在用户端进行,利用传输控制协议(TCP)进行端到端的拥塞控制,可以说,Internet的成功在很大程度上依赖于TCP拥塞控制机制的有效执行,但是由于Internet的发展及TCP拥塞控制算法本身存在的问题,使得现有的拥塞控制策略在很多方面已经不能满足人们的需求。研究表明,TCP拥塞控制实质上是一种较保守的策略,它并非在所有的网络条件下都能保证其良好的性能。 Internet中传统的路由器通常采用先来先服务的调度算法以及“弃尾”缓冲管理方法,在指示和控制拥塞方面不提供任何显式的支持。由于在路由器中引入相应的拥塞控制机制,使网络本身参与资源的控制工作可以更有效地实现对拥塞的监测和预防,因此近几年IP拥塞控制策略成为当前网络研究的一个热点,IETF(Internet工程任务组)建议在Internet路由器上采用主动队列管理机制作为IP层参与拥塞控制的手段,随机提前检测(RED)算法是IETF推荐的一种主动队列管理算法。 本文首先概要介绍了Internet中的拥塞现象产生的背景、原因以及实施拥塞控制的必要性,探讨了拥塞控制策略的研究与发展现状,从不同角度对拥塞控制机制进行了分类,并分析了当前拥塞控制中存在的问题。 ⑧器款氯 第二章着重研究了Internet中TCP的基于窗口的端到端拥塞控制方法以 及IP层采用的拥塞控制机制。首先对TCP基于滑动窗口的拥塞控制机制的四 个核心算法:慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复进行了详细阐述,讨 论了当前的各种TcP拥塞控制改进方案,如NewReno、SACK、TCP一Vegas 等。然后对Intemet路由器采用的“弃尾”算法及其存在的问题进行了分析, 介绍了主动队列管理机制的思想,讨论了当前业界在IP拥塞控制方面所做的 相关工作,并重点分析了RED及其相关算法。 在保证网络稳定和不发生拥塞的基础上,公平性是算法设计的另一个重要 的性能指标。因此,在第三章我们根据网络层显示拥塞指示技术支持,提出一 种公平窗口算法,使该算法在IP网络中得以实现。仿真结果证明,此算法在 多瓶颈网络环境下能使TCP流达到较好的公平性。 在第四章中,我们探索了DRED(oynamie readom early deteetion)方案 的队列稳定性,并根据控制理论和控制参数优化的仿真实验提出了一种优化 的参数选择方法,从理论上给出了系统稳定的参数选择范围,有效地解决了 以前对RED参数选择的盲目性、随机性和不确定性的问题。而且根据对所进 行的理论分析,通过仿真实验验证所提算法的有效性。 在上一章研究的基础上,我们在这一章进一步对主动队列管理算法 PD一controlle:的参数选择进行探讨。尽管最近提出的比例、差分随机早期预测 (PD一RED)机制改进了网络性能,但和其他的RED机制一样,仍然存在一个 关键的问题:参数调整的问题。而选择适当的控制参数使动态队列达到稳定对 任何一个RED机制来说都是非常重要的。因此,本章利用TCP动态流量模型 和现代控制理论对主动队列管理机制稳定性进行了分析,从理论上给出了系统 稳定时的参数选择范围。而且通过仿真对所讨论的参数选择方法进行了验证, 仿真结果表明:所提出的参数优化方法很好的保证了系统稳定性,改进了主动 队列管理机制的网络性能。 在第六章中,我们推导出AVQ方案的显示的稳定性条件,对文献[53」中 的方案进行了扩展,提出了一种简单、实用的参数调节方案。而且,我们还 通过仿真实验进一步证实了所提方案能更有效地使队列长度趋于稳定,具有


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