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提供服务质量保证的网络拥塞控制策略研究

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提供服务质量保证的网络拥塞控制策略研究

RESEARCH OF CONGESTION CONTROL SCHEME PROVIDING QUALITY OF SERVICE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 互联网与服务质量保证

1.2.2 采用TCP/IP网络的连接时延研究

1.2.3 网络拥塞控制策略研究

1.2.4 实时业务的排队调度

1.3 课题的研究内容

1.4 论文的内容安排

第2章 TCP短连接时延模型分析

2.1 TCP连接时延模型

2.2 早期明确拥塞标记算法(E2CN)

2.3 TCP时延建模假定

2.3.1 目的终端的假定

2.3.2 网络的假定

2.3.3 传输的假定

2.4 采用E2CN拥塞控制的TCP连接时延模型

2.4.1 连接建立过程时延

2.4.2 连接传输过程时延

2.5 验证模型和结果分析

2.5.1 新的数学分析模型计算结果

2.5.2 新的分析模型计算结果和仿真结果的比较

2.5.3 不同拥塞控制的仿真结果比较

2.5.4 不同网络参数对时延的影响

2.6 应用时延指标计算

2.6.1 RTT的计算

2.6.2 应用时延的计算

2.7 本章小结

第3章 提高TCP性能的拥塞控制算法研究

3.1 优化传统TCP拥塞控制协议中参数的算法

3.1.1 优化拥塞控制窗口(CWND)变动参数算法

3.1.2 优化重传等待时间(RTO)参数算法

3.1.3 优化最大数据段(MSS)参数算法

3.2 通过智能网络设备优化TCP拥塞控制协议的算法

3.2.1 结合ECN的RED拥塞控制算法

3.2.2 结合RTT参数的TCP速率控制算法

3.2.3 WINTRAC:TCP接收窗口调整算法

3.2.4 优化TCP连接优先级的拥塞控制算法

3.3 本章小结

第4章 自适应调整TCP拥塞控制窗口算法研究

4.1 自适应调整拥塞控制窗口算法

4.1.1 体系结构

4.1.2 拥塞控制窗口算法

4.2 仿真结果分析

4.2.1 T1链路的仿真性能分析

4.2.2 不同RTT时延的仿真性能分析

4.2.3 小缓冲区的仿真性能分析

4.3 本章小结

第5章 实现IPv6多等级业务Qos的调度模型

5.1 多等级区分服务排队模型和调度算法

5.2 实现多等级IPv6业务Qos的改进模型

5.3 仿真结果和性能评估

5.3.1 仿真结构模型

5.3.2 不同调度算法对丢失率的影响

5.3.3 不同λ对丢失率的影响

5.3.4 不同调度算法对队列时延的影响

5.3.5 两种调度算法对子队列大小的影响

5.3.6 class1业务量变化的情况下丢失率的比较结果

5.4 自适应调度算法

5.4.1 新的调度算法存在的问题

5.4.2 新的自适应调度算法

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历

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摘要

近年来,网络技术的发展日新月异,网络的规模迅速扩大,以IP为基础的Internet已经逐步发展成为全球性的信息基础设施。互联网的成功主要归功于分组交换、无连接的网络层和TCP拥塞控制。随着新型网络应用的不断出现和用户数量的迅速增加,使得Internet流量急剧增长,其中除了传统的采用WWW、FTP、Telnet等应用层协议的数据流外,还出现了大量的实时多媒体数据流,由于网络中的不同数据流在路由器处交汇,因而给网络的路由节点造成了很大的负担,越来越严重的网络拥塞问题出现,在数据网络通信中,拥塞容易造成时延和吞吐量等QoS(Quality of Service)性能指标下降,是影响带宽、缓冲等网络资源利用率的关键因素,因此有效解决采用TCP协议的网络拥塞问题对于提高网络性能具有重要意义。
  在这篇论文中,我们首先研究了TCP短连接时延模型。这是由于在大多数提供QoS服务的网络模型中,时延是最重要的评价指标。通过研究我们发现通信网络采用TCP协议的不同拥塞控制方法对时延指标有重要的影响。我们建立了边缘路由器采用E2CN(Early Explicit Congestion Notification)拥塞控制机制时的TCP连接时延数学模型。这个数学模型是从拥塞控制的协议设计出发,根据拥塞控制的滑动窗口机制,通过RTT(Round Trip Time)和数据包的拥塞率两个参数来分析TCP的连接时延。根据我们建立的数学模型,通过理论分析得到采用新的拥塞机制比不采用新的拥塞机制能够降低连接时延的原理,同时也定性的给出不同参数对TCP连接时延的影响。通过和仿真结果的比较,我们提出时延模型相当精确。这样就为设计出新的TCP拥塞协议从而能够符合时延指标提供理论上依据。
  其次,根据TCP连接时延模型,拥塞控制策略的不同是导致连接时延不同的重要原因。我们研究国内外文献中提高TCP性能最新拥塞控制算法。由于TCP协议基本上采用滑动窗口机制完成拥塞控制和错误恢复实现数据的可靠传输,不同TCP连接的数据包丢失率(拥塞率)和RTT的不同会导致不同连接拥塞链路上带宽分配的不公平性以及不同连接的时延不同。论文中,我们对这些拥塞策略给出了新的分类方法,并且详细讨论了不同算法的优缺点。
  然后,我们根据国内外最新的拥塞控制策略,在本文中提出了新的TCP速率调整算法。由于特定的TCP动态性能导致不同TCP连接的数据包在网络设备中产生队列的拥塞,造成数据包的丢失,降低了路由设备的吞吐量,同时造成拥塞链路上的带宽分配的不公平性。新的拥塞控制算法根据边缘路由器缓冲区中的输入数据包和输出数据包的变化,得到新的合理拥塞控制窗口,直接通过早期明确拥塞标记数据包返回到发送终端,从而快速改变了TCP数据包的发送速率。通过对仿真结果的分析,我们提出的新算法可以明显的控制TCP的业务量,限制边缘路由器的队列的拥塞,大大降低数据包的丢失率,从而提高TCP的时延性能和带宽分配的公平性。
  最后,根据前述的时延数学模型,降低RTT同样可以降低TCP应用的时延。而数据包在路由器中的排队时延是RTT的最重要的组成部分。在论文中我们提出在区分服务体系结构下,核心路由设备实现IPv6业务多等级QoS一种排队模型和自适应调度算法。采用的排队模型是通过两个平行的输出队列,每一个输出队列采用为不同等级的业务设定不同的门限的随机丢弃算法,从而能够实现多等级QoS服务。通过自适应的改变调度算法中的重要参数λ(两个输出队列长度的初始门限值),可以在保证高等级业务的时延和丢失率的性能指标的情况下,显著提高低等级业务的服务质量。

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