（无线电物理专业论文）基于时延的可用带宽测量方法及分层组播拥塞控制协议研究.pdf

中文摘要 基于时延的可用带宽测量方法 及分层组播拥塞控制协议研究 专业：无线电物理 博士生：卞静 导师：张光昭教授 中文摘要： 时延在实时多媒体业务传输中起着关键的作用，与网络传输性能 指标抖动、带宽和吞吐量等有密切关系，是网络业务中影响用户体验 的最重要的q o s 参数。在分析网络传输性能、进行网络设计、网络 管理和网络预测时，有必要对网络的时延特性予以充分重视。 可用带宽是网络业务重要的资源，带宽高意味着传输链路有较大 的吞吐量和较高的服务质量。对可用带宽的实时精确测量，是有效利 用网络资源，提高网络服务质量的保证。随着因特网规模的扩展，以 及网络应用的多样性和复杂性，给实时变动的带宽测量带来很大困 难。业务的需求和实际存在的困难，使可用带宽测量成为下一代网络 研究的关键问题。 网络带宽测量的最大难点在于网络的可用带宽与当前网络中存 在的背景流量相关，到目前为止，尚未有一个准确描述网络流量的解 析公式。传统的流量模型建立在电话网和a t m 网业务结构基础上， 采用泊松模型或马尔可夫模型描述数据包的到达过程。随后的许多研 究证实网络流量信号具有多重性质：自相似、突发和长相关。这些揭 示使经典的流量模型不再适合于实际的分组网络流量分析，网络流量 自相似特性的研究和建模受到极大的关注。进一步研究显示，网络业 务具有多尺度特征，聚合网络流量兼具长相关的平稳高斯过程和多重 分形的高可变、非高斯性过程的特征。本文对经典流量模型、自相似 中山大学博士学位论文 中文摘要 流量模型、多重分形过程与小波流量模型进行了综述研究。在现有自 相似流量模型中，符合重尾分布的高可变o n o f f 源叠加模型有明确 的物理意义，可以构建比较符合实际的网络流量，因此在本文的实验 研究中，采用该模型作为背景流。 本文通过分析网络传输业务共有的一个特征参数一一时延的性 能，提出了基于时延的两种带宽测量方法：p a t h p c q 和s s p 。p a t h p c q 基于时延统计，根据c r u z 流量模型和单向时延o w d 趋势分析，通过 计算o w d 上升趋势的概率，推断探测速率与端到端可用带宽之间的 关系。当探测速率大子可用带宽时，o w d 上升趋势的概率大于阈值； 否则小于阈值；由此调整探测速率，使之逼近可用带宽。s p 方法基 于s l o p s 方法，通过计算时延抖动参数艘把和艘向，推断探测速率与 可用带宽之间的关系，达到估测可用带宽的目的。仿真实验结果显示， 两种测量方法都比现有的带宽测量工具p a t h l o a d 快速而准确，尤其是 s s p 方法，更为简洁、迅速和准确。为网络资源管理、监控和预测提 供了有益的手段。 实时多媒体业务传输，分布式、多用户的协同工作方式，对网络 带宽资源有较高的要求。组播允许发送方和多个接收方建立点对多点 的传输关系，以最少的数据复制使组成员都能收到所需信息，可以节 省大量的网络资源，提高网络带宽利用率，满足多用户需求。本文重 点研究接收端驱动的分层组播拥塞控制技术，基于组播数据时延敏感 的特性，结合时延特性研究和s s p 可用带宽估测方法，提出一种基于 时延参数的接收端驱动的分层组播拥塞控制协议b d p 。b d p 利用时延 参数躲她和艘。估测路径可用带宽，用于加层判断，避免了盲目加 层试验造成的大量丢包；利用到达时延间隔参数i n t e r v a lv a r ，和丢包事 件统计参数l o s t d e g 推断网络拥塞状况，完成拥塞控制。仿真实验结果 显示，b d p 协议取得了良好的稳定性、扩展性和t c p 公平性。 中山大学博士学位论文 本文的主要创新点为： 1 、通过单向时延变化趋势与端到端可用带宽之间的关系，基于 c r u z 流量模型和单向时延o w d 趋势分析，通过检测参数p 砩。，计算 o w d 上升趋势的概率，推断探测速率与端到端可用带宽之间的关系， 设计了优于p a t h l o a d i 具的端到端可用带宽估测算法p a t h p c q 2 、通过单向时延变化趋势与端到端可用带宽之间的关系，基于 s l o p s 方法，设计了能够反映探测速率与可用带宽之间关系的时延抖 动参数s r a e g 和s r d e t ；通过对艘d e 。和s r d e t 参数进行判断，端系统能够迅 速调整发送速率，使之逼近可用带宽，实现了快速、准确的端到端可 用带宽估测算法s s p ； 3 、通过分析接收时延间隔与网络拥塞的关系进行拥塞控制参数 的设计；利用时延参数艘a e 阳艘曲。估测路径可用带宽用于加层判断； 利用可用带宽估测算法s s p 、到达时延间隔参数砌f p n 懈l v 口r 邢丢包事 件统计参数l d s “。，提出基于时延参数的接收端驱动的分层组播拥塞 控制协议b d p 。n s 2 仿真结果显示，b d p 协议取得了良好的稳定性、 扩展性、快速收敛性和t c p 公平性。 关键词： 因特网流量模型，可用带宽估测，分层组播拥塞控制，接收时延 间隔 中山大学博士学位论文 s t u d yo nd e l a y - b a s e da v a i l a b l eb a n d w i d t h e s t i m a t i o nm e t h o da n dc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l f o rl a y e r e dm u l t i c a s t m a j o r ： r a d i op h y s i c s n a m e ：b i a nj i n g a d v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gg u a n g z h a o a b s t r a c t ： d e l a yp l a y sc r u c i a lr o l ei nr e a l t i m em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n i t i n f e r st h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fj i t t e r , b a n d w i d t h ，a n dt h r o u g h p u to f i n t e r n e t t h ei m p a c to ns u b s c r i b e r se x p e r i e n c em a k e si tb e c o m eav e r y i m p o r t a n tq o sp a r a m e t e r i ti sn e c e s s a r yt oc o n c e mt h ed e l a yp r o p e r t i e s w h e na n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，n e t w o r kd e s i g n ， m a n a g e m e n ta n dp r e d i c t i o n a v a i l a b l eb a n d w i d t hi so n eo fi m p o r t a n tn e t w o r kr e s o u r c e s h i g h b a n d w i d t hm e a n sh i g ht h r o u g h p u ta n dh i g hq u a l i t yo fn e t w o r ks e r v i c e a c c u r a t ea v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o ni nr e a l t i m ec a np r o v i d e g u a r a n t e eo fe f f i c i e n tn e t w o r kr e s o u r c e su t i l i z a t i o na n dt h eq u a l i t yo f n e t w o r ks e r v i c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，h e t e r o g e n e o u sa n d c o m p l e xn e t w o r ka p p l i c a t i o n sm a k ei td i f f i c u l tt om e a s u r et h ea v a i l a b l e b a n d w i d t h t h ei s s u eo fe s t i m a t i o na v a i l a b l eb a n d w i d t hb e c o m e st h ek e y q u e s t i o no f n g n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na v a i l a b l eb a n d w i d t ha n dt h ep r e s e n tc r o s s t r a f f i ci st h em o s tp r o b l e mf o re s t i m a t i o na v a i l a b l eb a n d w i d t ht h a tt h e r e i s n ta n yp r e c i s ea n a l y t i cf o r m u l at oc h a r a c t e r i z et h ec u r r e n tn e t w o r k t r a f f i c t h et r a d i t i o n a lt r a f f i cm o d e lu s e dp o i s s o no rm a r k o v i a nm o d e l 中山大学博士学位论文 v a b s t r a c t b a s e do nt h ec i r c u i ts w i t c h i n gn e t w o r k st od e s c r i b et h ea r r i v a lp r o c e s so f t h ed a t a i th a sb e e nc o n v i n c i n g l yd e m o n s t r a t e da n dc o n f i r m e db ym a n y s t u d i e st h a tn e t w o r kt r a f f i c s i g n a l se x h i b i t f r a c t a l p r o p e r t i e s s u c ha s s e l f - s i m i l a r i t y ，b u r s t i n e s s ，a n dl o n g r a n g ed e p e n d e n c e t h e s em a d es u c h m o d e l sn o ts u i t a b l et od e s c r i b et h ep a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k sa n y m o r e a n a l y s i sa n dm o d e lt ot h es e l f - s i m i l a rt r a f f i ca a r a c tm o r ea t t e n t i o n s t h e f i a r t h e rr e s e a r c hs h o w st h a tt h en a t u r eo fn e t w o r kt r a 伍c e x h i b i t s d r a s t i c a l l y d i f f e r e n ts t a t i s t i c sa c c o r d i n gt os c a l e st h a tt h em o s tb e i n g l o n g - r a n g ed e p e n d e n t ，g a u s s i a na tt h el a r g es c a l e ，a n dt h eo t h e rb e i n g m u l t i f r a c t a l ，n o n g a u s s i a nw i t hb u r s t sa tt h es m a l ls c a l e i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h et r a d i t i o n a lt r a f f i cm o d e l s ，s e l f - s i m i l a rt r a m cm o d e l s ， m u l t i f r a c t a la n dw a v e l e tt r a f f i cm o d e l s 。t h eh i 【g h - v a r i a b i l i t yo n o f f s o u r c em o d e li n c l u d e sp h y s i c a lm e a n i n gf o rt h es e e m i n g l yv e r yc o m p l e x t r a f f i cd y n a r n i c si nt o d a y sn e t w o r k ，s oi ti sa d o p t e dt ob u i l dt h ec r o s s t r a f f i ci no u re x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , ac o m m o nf e a t u r ep a r a m e t e r a r r i v a ld e l a yi n t e r v a li s s t u d i e d ，a n dt w oa l g o r i t h m sp a t h p c qa n ds s pb a s e do nd e l a yp a r a m e t e r a r ep r o v i d e d i np a t h p c qa l g o r i t h m ，t h ep r o b a b i l i t yo ft h er i s i n go n e - w a y d e l a yi ss t a t i s t i ca c c o r d i n gt oc r u zt r a f f i cm o d e la n do n e w a yd e l a yt r e n d t oi n f e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o b er a t ea n de n d t o e n da v a i l a b l e b a n d w i d t h i ft h ep r o b a b i l i t yi sl a r g e rt h a nt h et h r e s h o l d ，t h ep r o b i n gr a t e i sl a r g e rt h a nt h ep r e s e n ta v a i l a b l eb a n d w i d t h ；o t h e r w i s e ，t h ep r o b i n gr a t e i sl e s st h a nt h ep r e s e n ta v a i l a b l eb a n d w i d t h s s pa l g o r i t h mi sb a s e do n t h ed e l a yj i t t e r , i ti n f e r s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e np r o b er a t ea n d e n d t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t hb yc a l c u l a t i n gd e l a yji t t e rp a r a m e t e r s s r d e g a n ds r d n t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt w o a l g o r i t h m s ，e s p e c i a l l ys s p , a r em o r ea c c u r a t ew i t hl e s sc o n v e r g e n c et i m e t h a nt h ep r e s e n te s t i m a t i o nt o o lp a t h l o a d p a t h p c qa n ds s pc a np r o v i d e b e n e f i c i a lm e t h o d sf o r t h en e t w o r kd e s i g n ，m a n a g e m e n t ，c o n t r o l ，a n d 中山大学博士学位论文 v i p r e d i c t i o n r e a l t i m em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t e d ，h e t e r o g e n e o u s n e t w o r kc o l l a b o r a t i o nr e q u i r eh i g hb a n d w i d t hr e s o u r c e s 。m u l t i c a s ti sa p o i n t - - t o - m u l t i p o i n t t r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e w h i c ha l l o w so n es i n g l e s o u r c et os e n do n l yo n ec o p yo fd a t at oal a r g en u m b e ro fr e c e i v e r so v e r an e t w o r k i tc a ns a v en e t w o r kr e s o u r c e ，i m p r o v en e t w o r kb a n d w i d t h u t i l i z a t i o na n ds a t i s 母t h er e q u i r e m e n t so fm u l t i u s e r s t h i s p a p e r f o c u s e so nt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mt ob eu s e di nc u m u l a t i v e r e c e i v e r d r i v e nl a y e r e dm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n s i n c em u l t i m e d i ad a t a a r ee x t r e m e l yd e l a ys e n s i t i v e ，t h ed e l a yp r o p e r t i e sa r es t u d i e di nd e t a i l an e wc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lb d pb a s e do nt h es t u d yo fd e l a y p a r a m e t e r sa n da v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o nm e t h o ds s rb d pu s e s d e l a yp a r a m e t e r ss r d e ga n ds r d e tt oe s t i m a t et h ep a t h s a v a i l a b l e b a n d w i d t hi nt h ed e c i s i o no fl a y e rj o i n i ft h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hc a n s u s t a i nt h ec u m u l a t i v er a t eo ft h en e x tl a y e r , al a y e rj o i nc a nb ed o n e i n b d p , a r r i v a ld e l a yi n t e r v a li n t e r v a l _ _ v a r ia n dp a c k e t - l o s se v e n t d s 幻e g a r eu s e dt op e r f o r mc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m t h en s 2s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tb d pc a na c h i e v ee f f i c i e n c y ，f a s tc o n v e r g e n c e ，s t a b i l i t y a n dt c p f a i r n e s s t h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n o n e - w a yd e l a y a n d e n d t o - e n da v a i l a b l eb a n d w i d t h ，t h ea l g o r i t h mp a t h p c qf o ra v a i l a b l e b a n d w i d t he s t i m a t i o nw i t hb e r e r p e r f o r m a n c e s t h a np a t h l o a di s p r o p o s e du s i n gt h e d e t e c t i o n p a r a m e t e rp s p c qb a s e do nc r u zt r a f f i c m o d e la n do n e w a yd e l a yt r e n d 2 b yu s i n gp r o p o s e dd e l a yj i t t e rp a r a m e t e r ss r d e ga n d 艘d e lt oi n f e r t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e np r o b er a t ea n da v a i l a b l e b a n d w i d t h ，t h e a l g o r i t h ms s pf o ra v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o nw i t hm o r ea c c u r a c y a n dl e s sc o n v e r g e n c et i m et h a np a t h l o a di s p r o p o s e db a s e do ns l o p s 中山大学博士学位论文 v 【i m e t h o d o l o g y 3 b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na r r i v a ld e l a yi n t e r v a la n d n e t w o r kc o n g e s t i o nt od e s i g nc o n g e s t i o nc o n t r o lp a r a m e t e r ，b yu s i n g d e l a yp a r a m e t e r s 艘d e ga n d 衄d e tt o e s t i m a t et h ep a t h sa v a i l a b l e b a n d w i d t hi nt h ed e c i s i o no fl a y e rj o i n ，b yu s i n gt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t h e s t i m a t i o na l g o r i t h ms s p , t h ea r r i v a ld e l a yi n t e r v a li n t e r v a l _ v a r | fa n dt h e p a c k e t - l o s s e v e n tl o s t d 。g ，t h e l a y e r e d m u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o l p r o t o c o lb d pi sp r o p o s e d t h en s 2s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb d p c a na c h i e v es c a l a b i l i t y , s t a b i l i t y ，f a s tc o n v e r g e n c ea n dt c p f a i r n e s s k e y w o r d s ： i n t e r n e tt r a f f i cm o d e l ，a v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o n ，c o n g e s t i o n c o n t r o lf o rl a y e r e dm u k i c a s tt r a n s m i s s i o n ，a r r i v a ld e l a yi n t e r v a l 中山大学博士学位论文 v i i i 第一章引言 1 1研究背景 第一章引言 随着i n t e m e t 和网络音视频业务的发展，组播技术得到广泛应用。组播允许 发送方和多个接收方建立点对多点的传输关系，以最少的数据复制使组成员都能 收到所需信息；支持实时多媒体业务传输分布式、多用户的协同工作方式；节 省大量的网络资源，提高网络带宽利用率，满足多用户需求。组播技术所具有的 扩展性强，节省网络资源的优点，使其具有广泛的应用前景，成为下一代互联网 ( n g i ) 的基本服务内容；i p t v 直播业务、视频点播、远程教学、新闻发布、网 络游戏、以及m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 应用等的支撑技术。 随着组播应用的发展，其本身的拥塞控制问题越来越严重，成为组播发展的 瓶颈。只有完善组播的拥塞控制机制，才能保证网络的稳定，才会使组播技术得 到更大的发展。拥塞控制机制要达到的目标包括支持端系统的可扩展性 ( s c a l a b i l i t ) ，即异构终端的扩展能力；有效性( e f f i c i e n c y ) ，即带宽利用率的提高 能力；快速收敛性，能够快速适应网络带宽变化对拥塞快速响应，及时避免： 稳定性，减少吞吐量的抖动：以及最重要的t c p 公平性【2 】【”，达到与竞争流公平 分享带宽的能力。 接收端异构性是组播应用中要解决的一个重要问题，分层组播( l a y e r e d m u l t i c a s t ) 是目前解决网络异构性以及扩展性的最佳方案 4 】。分层组播是一种多 速率组播技术，它将源端数据按照一定的编码算法分割成多层，分别用不同的组 播组发送：接收端根据自身瓶颈带宽允许和拥塞控制机制订购适当的数据层，订 购的层越多，接收的数据质量越高。 中山大学博士学位论文 第一章号f 言 分层组播传输调节可分别在发送方，核心路由器，或接收端进行。分层组播 传输调节在接收端进行时( 接收端驱动) ，接收方可以根据自身条件完成层次订 购。实现了控制的分布式处理，减轻了发送端负担，易于扩展。 具有代表性的接收端驱动的分层组播拥塞控制机制包括r l m 机制 4 l ( r e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dm u l t i c a s t ) ，是由m c c a n n e 提出的第一个基于接收端 驱动的累积分层组播拥塞控制机制。其拥塞控制通过加入试验来完成。源节点将 原始的多媒体信号压缩分解成多层码流，每层码流分属不同的组进行组播传输， 接收节点通过动态的加入或离开一个组来实现对网络环境变化的自适应。当判断 数据包的丢失率超过阈值时，接收节点通过离开一个组播组来放弃一层码流的接 收，以缓解网络拥塞，降低丢包率：当网络较空闲时，接收节点则通过加入一个 组播组来增加一层码流的接收，以提高媒体的接收质量。接收节点按照一定的时 间间隔进行试验，本次试验成功( 一段时间内丢包率不超过阈值) ，可以继续加 入，直到接收到最高层次的码流；若试验失败( 一段时问内丢包率超过阐值) ， 则离开刚加入的组播组，并以指数的方式增加该层加入试验的时间间隔，防止频 繁的加入试验引起网络拥塞。该方案具有较高的带宽利用率，但没有考虑与t c p 的公平性问题，以及接收端之间的加层退层同步问题，由于采用定时器触发订 层，使r l m 收敛速度较慢，不能快速适应网络的变化。r l c 机制口】 ( r e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 是对r l m 的改进，实现了t c p l i k e 的拥塞控制。r l c 采用按指数分布的层次来分割媒体数据模拟了t c p 的行为， 在一定程度上达到了t c p 友好。使用同步点s p ( s y n c h r o n i z a t i o np o i n t s ) 来实现 不同接收者的拥塞控制协作。使具有共同瓶颈链路的接收者一起加入或离开相应 的数据层。但r l c 存在以下缺陷：速率调整粒度粗糙，接收端不能充分利用带宽； s p 的周期性探测会导致大量数据丢失；仍然没有解决收敛速度慢的缺陷存在离 开时延问题。f l i d d l 机制i z l ( f a i rl a y e r e di n c r e a s e d e c r e a s ew i t hd y n a m i c l a y e r i n g ) 使用动态分层技术，减少了i g m p 离开时延( l e a v el a t e n c y ) 对协议性 能的影响：基于t c p 流量模型，使用公平加层退层( f a i rl a y e r e di n c r e a s e d e c r e a s e ) 方法，以及使用概率增加信号( p r o b a b i l i s t i ci n c r e a s es i g n a l ) 机制来保证t c p 友好。 但f l i d d l 过于频繁的加层退层操作，带来较大的组播路由协议开销，同时 f l i d d l 只能在特定r t t 值的网络环境中才能与t c p 协议公平分享带宽。p l m 机 制1 6 i ( p a c k e t - p a i rl a y e r e dm u l l j c a s t ) 由l e g o u t 提出，使用分组对技术【7 】推测链路瓶 中山大学博士学位论文 第一章引言 颈带宽p 】，接收者依据各自的推测带宽决定加入或离开操作，具有较快的收敛 速度、稳定性和公平性，同时不会出现由于盲目的加入试验而导致分组丢失的情 况。但p l m 只能在支持公平队列的路由器上运行，限制了它的使用。 考察上述分层组播拥塞控制方案可以发现，其拥塞控制机制都要对所处的网 络环境进行判断与白适应调节。这里的网络环境，主要指的是当前网络的可用带 宽资源。只有充分了解当前网络允许的带宽状况，拥塞控制机制才不会盲目地实 行加层或退层操作，才能在竞争流之间公平的分享带宽资源，这也是p l m 协议 性能较其它协议优异的原因。 当前的网络带宽资源通常指的是网络的可用带宽】 1 “，即当该业务流和其 它背景流量共享网络路径时该业务流所能得到的带宽。由于背景流存在长相关、 自相似【1 4 ，以及突发性特征i ”1 ，给实际带宽测量带来很大的困难和挑战。 典型的带宽测量模型有探测包间隔模型p g m ，如s p r u c e i ”l 、d e l p h i t ”1 和i g i l ”1 i 以及探测包速率模型p r m 。p r m 不需要p g m 的瓶颈带宽已知、包对速率要线性 变化等假设，测量的带宽可以达到较为精确的结果能适应不同的网络状态；但 测量过程要引起网络的瞬间拥塞，因此对算法的非干扰性、快速收敛性和准确性 有较高要求。p r m 基于自导入拥塞( s e l f - i n d u c e dc o n g e s t i o n ) 思想，周期性地向 网络注入探测流，按一定的算法规则调整探测流发送速率；当探测速率高于路径 可用带宽时，路径上的单向时延o w d ( o n e w a yd e l a y ) 呈现增长趋势，网络出 现瞬间拥塞；当探测流速率小于路径可用带宽时，o w d 没有一定的趋势，也不 会出现网络拥塞。通过适当的o w d 趋势检测算法，可以找到一个转折点口0 j ( t u r n i n gp o i n t ) ，使探测速率刚好向网络导入了拥塞，由此估测到可用带宽。 基于p r m 的带宽测量技术主要有p a t h l o a d l 2 1 j 【2 2 】、p a t h c h i r p t 2 3 l 和t o p p 2 ”。 t o p p ( t r a i no fp a c k e tp a i r s ) 以递增的速率发送多个包间隔相等的包对组成的探测 流，设定一个可用带宽范围作为发送速率调整的上、下限，通过线性增大探测速 率产生路径的瞬间拥塞，得到可用带宽。它使用很小的探测流量就可完成可用带 宽的推断，同时可探测到路径中的多个拥塞链路。t o p p 假设路径转发节点采用 f c f s ( f i r s tc o m ef i r s ts e r v e r ) 和队尾随机丢弃策略，只能对单向路径进行测量， 可用带宽设定范围过大，增加了探测过程，降低了算法的收敛性能。p a t h l o a d 和 p a t h c h i r p 都是基于m j a i n 提出的对t o p p 改进的s l o p s ( s e l f l o a d i n gp e r i o d i c s t r e a m ，自载周期流1 方法口”。s l o p s 使用包串模型，通过探测包单向时延 中山大学博士学位论文 第一章引吉 o w d ( o n e w a yd e l a y ) 的变化趋势来估测可用带宽，使用二分法调整发送速率， 减少了探测次数和探测流规模。p a t h c h i r p 采用指数分布的探测数据包列引入拥 塞，随着数据包分布空间的指数增大p a t h c h i r p 可以相应减少探测包数量，在一 个相对大的数据包长度和小的扩散因子下，p a t h c h i r p 取得较好性能。文献【2 0 】表 明，p a t h c h i r p 性能并不稳定。p a t h l o a d 采用s l o p s 自载周期流测量方法，基于时 延统计p c t ( p a i r w i s ec o m p a r i s o nt e s t ) 和p d t ( p a i r w i s ed i f f e r e n c et e s t ) 来检测路 径的单向时延o w l ) 趋势，以此判断发送速率与可用带宽之间的关系，并调整发 送速率，直至发送速率逼近可用带宽区间。p a t h l o a d 工具的优点是能够根据网络 中当前数据包的时延情况来动态逼近网络的可用带宽。在现有带宽测量工具中， 精度较高；但运行时需要发送大量的测试报文，经过相当长的时间才能得出测量 结果。 1 2研究问题 针对现有可用带宽测量算法和分层组播方案存在的局限性，本文将以能够反 映网络拥塞状况和流量水平的端到端时延为主，重点研究时延与端到端可用带宽 测量方法，时延、可用带宽估测与分层组播拥塞控制协议设计之间的关系，解决： 单向时延变化趋势与探测速率和可用带宽之间的关系 单向时延变化趋势的判定依据 接收时延间隔与网络拥塞的关系 拥塞控制参数的设计依据 1 3本文内容和主要创新点 准确估测端到端的可用带宽是提高基于速率的分层组播拥塞控制算法的充 要条件，本文致力于深入研究能够反映网络当前带宽资源以及当前网络拥塞状况 的特征参数端至端时延的作用，研究时延参数与可用带宽、时延参数与网络 拥塞状况之间的关系，通过设计适当形式的估测参数和控制参数，达到准确测量 网络可用带宽资源，完善分层组播拥塞控制机制的目的。 中山大学博士学位论文 第一章引言 本文内容共分五章。第一章引言，概述组播技术，组播拥塞控制的设计目标， 分层组播拥塞控制机制的研究现状；可用带宽测量的意义，带宽测量模型，带宽 测量技术。概括了本文重点研究问题是探究时延与端到端可用带宽测量方法，时 延与分层组播拥塞控制协议设计之间的关系。第二章介绍i n t e r n e t 网络流量模型， 包括经典流量模型、自相似流量模型、多重分形过程与小波流量模型：并通过实 验，对自相似流量模型进行了仿真分析。第三章研究基于时延的端到端可用带宽 测量方法。提出了基于时延统计的带宽测量方法p a t h p c q 和基于时延抖动的带宽 测量方法s s p ；p a t h p c q 根据c r u z 流量模型和单向时延o w d 趋势分析，计算o w d 上升趋势的概率，推断探测速率与端到端可用带宽之间的关系，由此达到估测可 用带宽的目的；s s p 方法基于时延抖动设计。通过计算时延抖动参数s r d 。和腿d e i ， 推断探测速率与可用带宽之间的关系，达到估测可用带宽的目的；仿真实验结果 显示，两种测量方法都比现有的带宽测量工具p a t h l o a d 快速而准确。第四章重点 研究接收端驱动( r e c e i v e r d r i v e n ) 的分层组播方式下的拥塞控制机制和协议设计， 基于时延特性，利用时延参数艘和s p d d i 测路径可用带宽，用于加层判断； 利用到达时延间隔参数i n t e r v a ，v a r i 和丢包事件统计参数三o j 。完成拥塞控制；以 此提出基于时延参数的接收端驱动的分层组播拥塞控制协议b d p ( c o n g e s t i o n c o n t r o lp r o t o c o lb a s e do nd e l a yp a r a m e t e r sf o rl a y e r e dm u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o n ) 仿真实验结果显示，b d p 协议取得了良好的稳定性、扩展性和t c p 公平性，并对 网络拥塞状况能够迅速做出反应。第五章是全文工作总结。以及未来工作展望。 本文的主要创新点是： 1 、通过单向时延变化趋势与端到端可用带宽之间的关系，基于c r u z 流量模 型和单向时延o w d 趋势分析，设计了o w d 趋势检测参数j d 昂。q 。提出了优于 p a t h l o a d i 具的端到端可用带宽估测算法p a t h p c q ； 2 、通过设计时延抖动参数s g 。和s r d 。基于s l o p s 方法，分析探测速率与 可用带宽之间的关系，实现了快速、准确的端到端可用带宽估测算法s s p ； 3 、利用可用带宽估测算法s s p ，以及到达时延间隔参数和丢包事件统计参 数，完成了具有良好稳定性、扩展性和t c p 公平性的b d p 分层组播协议设计。 中山大学博士学位论文 第二章i n t e m e t 睹鲳流量模型研究 第二章i n t e r n e t 网络流量模型研究 2 1绪论 随着计算机网络技术的发展，因特网应用从单纯的文件传输、电子邮件、远 程登录到网络电话、网络电视、视频会议、远程教学、网络游戏、p 2 p 应用、网 格等新的应用业务不断涌现，业务量也急剧增加，网络业务流量的复杂性和突发 性越来越明显。满足网络服务质量q o s 要求，确保特定服务级别的数据传输， 符合网络现阶段的发展需求成为亟待解决的问题。当前的研究热点聚集在高速网 络的带宽分配( b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ) 、呼叫准入控制( c a l la d m i s s i o n