（模式识别与智能系统专业论文）ip网络拥塞控制算法的研究.pdf

摘要以t c p i p 协议为基础的1 1 1 t e m e t 自从九十年代以来，其网络规模、用户数量及业务量都呈现爆炸式的增长，新型网络应用也不断涌现，网络的参数( 如激活的连接数、回路往返时间) 动态变化，这些使得网络拥塞的状况愈加严重和复杂。拥塞容易造成传输时延和吞吐量等服务质量( q o s ) 性能指标下降，严重影响带宽、缓存等网络资源的利用率。因此，拥塞控制一直是网络研究领域的热点问题。i n t e m e t 主要依赖t c p 端到端拥塞控制来避免网络拥塞，但它在很多方面已经不能满足复杂网络中各种应用的需求。在路由器中引入适当的队列管理机制，可以有效地对拥塞进行监测和预防，路由器中的拥塞控制策略已经成为一个研究热点。近年来，音频、视频等多媒体应用在i n t e m e t 上不断涌现，多媒体流的传输大多采用u d p 协议，但u d p 流不采取拥塞控制机制，从而造成了对t c p 流不友好的问题。因此有必要对多媒体流进行拥塞控制，在保证一定q o s 的同时，保持对t c p 流的友好性。本文从端系统和路由器两个层次详细研究了当前i p 网络中的拥塞控制策略，在此基础上针对i p 网络实际应用需求展开了系统深入的研究。本文研究的主要内容及创新点如下：( 1 1 针对网络的非线性、时滞、不确定特点，结合预测控制理论提出一种新型主动队列管理( a q m ) 策略n n p c a q m ，该算法基于单值预测控制思想，为了实现快速控制，采用两层神经网络构造预测器，估计未来时刻队列长度；采用两层非线性神经网络组成控制器，实现对下一步丢弃概率的优化。该算法实现了模型的在线反馈校正，对模型的精度要求不高，且运算量较小，速度较快。仿真实验表明，该算法对网络参数变化具有很强的鲁棒性。( 2 ) 针对n t e m e t 上与日俱增的实时多媒体应用，提出了一种基于e c n 的t c p友好拥塞控制机制e t c c ，该机制侧重于端系统功能的改进，同时扩展了路由器的功能来支持端系统的工作，在路由器中采用r e d 管理队列长度，以e c n 的方式将网络的早期拥塞状况通知端主机，端系统根据相应的速率调节机制来调节数据的发送速率。仿真实验表明e t c c 机制可以在保证t c p 友好的前提下平滑调节多媒体流的发送速率，同时降低网络的延时和丢包率。拥塞控制是一个极其复杂的问题，本文仅对其中的一些方面做了研究，要想完全解决拥塞问题必须综合多种策略，从网络的各个部位，多角度全方位对拥塞加以控制。关键词：i p 网络，拥塞控制，主动队列管理，预测控制，t c p 友好a b s t r a c tw i t ht h ee v o l v e m e n to fi n t e r a c tb a s e do nt c p i et h es c a l e ，u s e r sa n dt r a f f i c so fi th a v ee x p e r i e n c e da ne x p l o s i v eg r o w t hs i n c e19 9 0 s t h en e t w o r kc o n g e s t i o nh a sb e c o m em o r es e r i o u sa n dc o m p l e xd u et ot h ee v e r - i n c r e a s i n gn e t w o r ka p p l i c a t i o nt y p e sa n dd y n a m i cn e t w o r kp a r a m e t e r ss u c ha sa c t i v es e s s i o n sa n dr o u n dt r i pl i m e c o n g e s t i o no f t e nr e s u l t si nd e c l i n eo fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i nt e r m so ft r a n s m i s s i o nd e l a ya n dt h r o u g h p u t ，w h i l et h en e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o nl i k eb a n d w i d t ha n db u f f e r sa r ea l s oa f f e c t e ds e r i o u s l y n ec o n g e s t i o nc o n t r o li sa l w a y sah o ts p o ti nt h ef i e l do f n e t w o r kr e s e a r c h i n t e r a c tp r i m a r i l yr e l i e so nt c pe n d t o - ，e n dc o n g e s t i o nc o n t r o lt oa v o i dn e t w o r kc o n g e s t i o n b u tt c ps t r a t e g i e sc o u l d n tm e e tm a n yv a r i o u sd e m a n d so fe v e r ya p p l i c a t i o no i lt h ec o m p l e xn e t w o r k i nf a c t ，i tw i l lb em o r ee f f e c t i v ef o rd e t e c t i n ga n dp r e v e n t i n gc o n g e s t i o ni ft h er o u t e r sp e r f o r mq u e u em a n a g e m e n ts c h e m e s c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h em u t e r sh a v eb e e nd i s c u s s e dw i d e l y m u l t i m e d i a 印p l i c a t i o n ss u c ha sv i d e oa n da u d i oh a v ec o m ef o r t hc o n t i n u o u s l yi nr e c e n ty e a r s u d pp r o t o c o li se m p l o y e dt ot r a n s f e rm u l t i m e d i af l o w s h o w e v e lu d pf l o w sa r en o tf r i e n d l yt ot c pf l o w sb e c a u s et h e yh a v en oc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e ，s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o pc o n g e a i o nc o n t r o ls c h e m e sf o ru d pf l o w s 。t h e s es c h e m e sm u s tn o to n l ys u p p o r tc e r t a i nq o sb u ta l s ob et c p f r i e n d l y c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sf o ri pb a s e dn e t w o r k s l i ei n t r o d u c e di nd e t m tf r o mt w od i f f e r e n tl a y e r so fr o u t e r sa n de n dh o s t s y s t e m a t i cr e s e a r c ht om e e tp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fi pb a s e dn e t w o r k si sp e r f o r m e di nd e p t h t h ep r i m a r yw o r k sa n di n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ri n c l u d eb u tn o tl i m i t e dt o ：( 1 ) c o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n du n c e r t a i nc h a r a c t e r i s t i c so f n e t w o r k s ，an e wa c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ( a q m ) a l g o r i t h m ，i e n n p c - a q mw a sp r o p o s e db a s e do np r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r y , w h i c hr e q u i r e sl e s sm o d e la c c u r a c y i no r d e rt or e a l i z ef a s tc o n t r o l ，ap r e d i c t o rw a sc o n s t r u c t e du s i n gt w o l a y e rl i n e a rn e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tt h ef u t u r eq u e u el e n g t h ，a n dac o n t r o l l e rw a sc o m p o s e du s i n gt w ol a y e r so fn o n l i n e a rn e u r a ln e t w o r kt oo p t i m i z et h en e x tc o n t r o lv o l u m e ，i e ，d r o pp r o b a b i l i t y b ye x p l o i t i n gf e e d b a c ka d j u s t m e n t ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mr e q u i r e sl e s sm o d e la c c u r a cy ，t o g e t h e rw i t hd e c r e a s e dc o m p u t a t i o na n df a s t e n e ds p e e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mp o s s e s s e sr o b u s t n e s sa g a i n s tv a r i a n c e so fn e t w o r kp a r a m 。t 。r s -( 2 ) w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n so fr e a l t t i m em u l t i m e d i ao ni n t e m e t ，a ne c n b a s e dt c p f r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r o l ( e t c c ) s c h e m ew a sp r o p o s e dt h ei ls c h e m ee m p h a s i z e so nt h ei m p r o v e m e n to fe n dh o s tw i t ht h es u p p o r fo fe x t e n d e dr o u t e r r e dw a sa d o p t e di nt h er o u t e r ，a n de a r l yc o n g e s t i o ns t a t ew a sn o t i f i e dt ot h es e n d e ru s i n ge c n s e n d i n gr a t ec o u l db ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h er a t es c h e m ei nt h ee n dh o s t ，s i m u l a t i o n ss h o w e dt h a te t c cc a na d j u s ts e n d i n gr a t es m o o t h l y , d e c r e a s ed e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t i ow h i l em a i n t a i n i n gg o o dt c p f r i e n d l i n e s s c o n g e s t i o nc o n t r o li sas o p h i s t i c a t e dt a s ka n dt h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho ns o m eo fi t t h eo n l yw a yt or e s o l v ec o n g e s t i o nc o m p l e t e l yi st ou t i l i z ev a r i o u ss t r a t e g i e st oc o n t r o lt h ec o n g e s t i o nf r o mm u l t i p l ea s p e c t so f t h ew h o l en e t w o r k k e yw o r d s ：i pb a s e dn e t w o r k ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，t c p f r i e n d l y浙江人学硕上学位论文第一章绪论帚一早硒t 匕从i n t e m e t 发展趋势及设计机制出发，本章对i p 网络中的拥塞进行了描述，分析了拥塞产生的原因：对拥塞崩溃进行了理论研究，阐明了t c p 友好性的概念；从而总结了拥塞控制策略研究的意义及其目的所在：在此基础上，给出了论文的研究内容和总体结构。1 1 引言随着计算机、网络、控制等信息技术的发展，计算机网络已经成为了大量分布式应用的基础。历史上主要采用传统电话交换的电话网，在电路交换中，通信两端一旦建立连接，便拥有条实际的物理线路，双方独占此线路。通过在建立通话时预留足够的资源就可以避免拥塞。但由于线路独占，即使在通信两端不使用信道，即信道空闲时其他用户也不可以使用该信道，造成了资源的浪费。在过去的十几年中，i p 网络缛到了迅速发展，所谓i p 网络即是采用i p( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议的网络。随着网络规模、用户数量及业务量的爆炸式增长，i n t e m e t 已经成为目前使用范围最广、发展速度最快的全球性i p 网络信息基础设施。据统计，i n t e r n e t 上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议睇j 。最初设计的i n t e m e t 是非面向连接的分组交换网络，所有的业务分组被不加区分地在网络中传输，网络能给出的唯一承诺就是尽自己最大的努力传输进入网络的每一个分组，但它无法给出一个定量的性能指标，譬如，吞吐量、端到端的延时和分组丢失率等服务质量( q u l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的界。相应地，用户也无需进行业务许可请求，因此网络的性能不仅仅是其本身可以确定的，还受用户施加负载的影响，很显然，这种网络体系结构缺乏一定的隔离和保护机制i j j ，但是建立在这种体系结构上的传统网络应用与网络协议具有较强的灵活性和适应性。随着网络的发展，其应用领域不断拓展，应用模式不断丰富，加之商业化进程的推动，越来越需要对网络所传输的业务类型有一个较为具体和明确的定义，即所谓的网络业务模型。从早期的综合服务数字网( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) ，到集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，i n t s e r v ) 资源预留( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) ，再到后来的区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f f s e r v ) t 4 1 ，这些都足结合应用的需要和技术的发展提出来的。无论最终采用哪一种业务体系结构，其技术的核心都需要在恰当的层次和粒度上对流量进行必要的管理，其中包括接纳控制、流量成形、队列管理、调度和拥塞控制等诸多方面，但最基本和最核心的应该依旧是捌塞控制5 - j 7 ，因为很难想象一个时常有可能出现严熏拥塞且无法及时加以恢复的网络能够实现良好的q o s 保证。1 1 刚络拥采控制算法的研究事实上，拥塞现象的发生和i n t e r n e t 的设计机制有着密切的联系，我们可以采用以下几点对i n t e m e t 的设计机制进行抽象【1 7 - l s l ：( 1 ) 报文交换。与电路交换相比，报文交换通过共享提高了资源的利用效率。但在共享方式f ，如何保证用户q o s 是一个很棘手的问题。在报文交换网络中可能出现报文“乱序”现象i 】，对乱序报文的处理增加了端系统的复杂性。( 2 ) 无连接网络。i n t e r n e t 的节点之间在发送数据之前不需要建立连接。无连接模型简化了网络的设计，在网络的中间节点上不需要保存和连接有关的状态信息。但是使用无连接模型难以引入“接纳控制”算法，在用户需求大于网络资源时难以保证q o s ；在无连接模型中对数据发送源的追踪能力很差，给网络的安全带来了隐患；无连接也是网络中“乱序”报文出现的一个主要原因。( 3 1 “尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务模型。b e s t e f f o r t 即网络不对数据传输的q o s 提供保证，这个选择和早期网络中的应用有关1 2 。传统的网络应用主要是f t p ，t e l n e t ，s m t p 等，它们对网络性能( 带宽、延迟和丢失率等) 的变化不敏感，b e s t e f f o r t 模型可以满足需要。但b e s t e f f o r t 模型不能很好地满足新出现的多媒体应用的要求，这些应用对延时、速率等性能的变化比较敏感。这要求网络在原有服务模型的基础上进行扩充。1 2f p 网络中的拥塞拥塞口1 1 是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路带宽，存储空间和处理器处理能力) 的需求超过了其固有的容量。也就是说，拥塞发生在通过网络传输的分组数量开始接近网络处理能力时。图1 1 描述了拥塞发生的情况。负载( l o a d jf 曲吞吐量曲线图1 1 拥塞发生时吞吐量和延时与负载的关系当 】9 络负载较小时，吞吐量的增长和负载相比基本呈线性关系，延时增长缓慢。当负载超过膝点( k n e e ) 之厉，吞吐量增长缓慢，延时增长较快，网络开始排队、丢包，这时网络进入了一个巾等的拥塞：状态。在这个区域，恻络继续传送负载，延时也在增长。当砦肯正l 经历到中等的拥塞时，其他节点则町能经历着浙江大学硕士学位论文严重的拥塞，以至于必须丢弃一些数据包。当网络上的负载继续增加，超过崖点( c l i f f ) 之后，吞吐量急剧卜- 降接近零，延时趋于无穷。拥塞控制的目的就是在网络接近于拥塞崩溃点c l i f f 时能尽快检测到，并采取措施减小网络负载，使刚络恢复到正常状态，保持在c l i f f 点左侧运行。拥塞一日发生若不加以控制，往往会导致恶性循环，如果路由器没有空闲的缓冲区，它必须丢弃到来的分组，当扔掉一个分组时，转发该分组的路由器可能因为超时而重传该分组，或者要重传多次，这样拥塞进一步加重，出现了严重的延时。在通信量非常高的情况下，网络完全瘫痪，几乎没有分组能够到达。一般情况下，i p 网络在每个节点( 路由器或其他设备) ，每一个传输信道上都有一个分组队列。如果分组到达和排队的速度超出分组能够被传输的速率，队列大小就不停的增长而分组经历的延时就变得越来越大。作为经验1 1 ，当接收分组排队线路的利用率超过8 0 时，队列的长度的增长速率就值得警惕。这种队列的增长意味着分组在每一个节点经历的延时增长，同时队列最后一定会溢出。一般来说，拥塞产生的直接原因主要有以下三点2 。“，1 7 j ：( 1 ) 存储空间不足。几个输入数据流共同需要同个输出端口，在这个端口就会建立排队。如果没有足够的存储空间，数据包就会被丢弃，对突发数据流更是如此。增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如果路由器有无限存储量时，拥塞只会变得更坏，而不是更好，因为在网络里数据包经过长时间排队完成转发时，它们早已超时，源端认为它们已经被丢弃，而这些数据包还会继续向下一路由器转发，从而浪费网络资源，加重网络拥塞。( 2 ) 带宽容量不足。高速数据流输入低速链路也会产生拥塞。根据香农信息理论，任何信道带宽最大值即信道容量c = b l o g a ( 1 + s n ) ( n 为信道白噪声的平均功率，s 为信源的平均功率，b 为信道带宽) 。所有信源发送的速率r 必须小于或等于信道容量c 。如果r c ，则在理论上无差错传输就是不可能的，所以在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，当其满足不了通过它的所有源端带宽要求时，网络就会发生拥塞。( 3 ) 处理器处理能力弱、速度慢。如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路由表等功能时，处理速度跟不上高速链路，也会产生拥塞。同样，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞。在网络通信中，拥塞是影响数据传输，造成延时、抖动等q o s 指标下降和带宽、缓存等网络资源利用率降低的关键因素，如何更好的预防和控制拥塞对于提高网络性能具有重要的意义。1 3 拥塞崩溃的描述i n t e r n e t 协议体系基于使用i p 协议，实现了无连接的端到端分组交换服务。采用无连接设计给其带来了灵活、鲁棒的优势，但同时也要求人们必须精心设计i p 网络拥塞控制算法的研究以使i n t e r n e t 存重载情况下也能提供良好的服务。实际上，1 i 重视分组交换的动态性会导致q o s 的严重下降或i n t e r n e t “彻底垮台”，这种现象在技术上称之为“拥塞崩溃” z lj 。拥塞崩溃对i n t e r n e t 的威胁可以追溯到其早期的发展中，1 9 8 4年n a g l e i ”j 丰艮告了由于t c p 连接中不必要的重传所诱发的拥塞崩溃，1 9 8 6 1 9 8 7年问这种现象曾经多次发生，严重时一度使美国l b l 到u cb e r k e l e y 之间的数据吞吐量从3 2 k b p s 跌落到了4 0 b p s t ”。除此之外，还有其他一些诱发拥塞崩溃的原因，例如，未传递数据包( u n d e l i v e r e d p a c k e t s ) 导致的网络崩溃，它与前一种有所不同，当负载减小时，拥塞可以自动恢复。f l o y d 【9 】也报告了一种拥塞崩溃现象，即分片拥塞崩溃，网络传输了大量的分组分片，但因为无法在接收湍重装成有效的分组而只好将它们丢弃。网络传输大量用户不再需要的陈旧分组会导致另一种形式的拥塞崩溃现象。通常情况下，拥塞崩溃发生在网络负载增加导致网络效率降低的时候。在2 0 世纪8 0 年代中期最先提出的时候，拥塞崩溃主要是由于t c p 连接不必要的重传那些正在传送或已经被接收方接收了的数据包。我们将这种由于不必要的重传数据包而引起的拥塞崩溃称为典型拥塞崩溃。典型拥塞崩溃是导致吞吐量只是f常情况下很小部分的稳定状况【2 2 】。典型拥塞崩溃的问题已经通过定时器和改进t c p 纠应用中的拥塞控制机制而基本得到解决。拥塞崩溃的另外一种潜在的形式则是由于未传递数据包而产生。当网络传送的数据包在到达最终目的地之前被丢弃而导致带宽被浪费的时候，就会出现由于未传递数据包而发生拥塞崩溃。由于处于拥塞连接中的部分带宽需要用于其它任务，不同情况下可能会产生不同程度的拥塞崩溃。此类拥塞崩溃的危险主要来源于网络上不断增加的大量开环应用，它们往往没有采用任何端到端的拥塞控制机制。当数据包丢弃率增加时，采用“尽力而为”服务机制的应用将会相应地提高发送速率，如此将会导致更加严重的灾难性后果。一个由未传递数据包而引起的拥塞崩溃可以通过表1 1 所示仿真结果进行阐释i “1 。该网络环境由三个t c p 流和一个u d p 流组成，它们共享一条带宽为1 5 m b p s 的链路，u d p 流接收节点的接入带宽为1 2 8 k b p s ( 相当于共享链路带宽的9 ) ，其他各节点的接入带宽均为1 0 m b p s 。当u d p 源端的发送速率超过1 2 8 k b p s 时，大部分u d p 数据包将会在到达接收端之前被丢弃。表1 1 给出了在拥塞的1 5 m b p s 链路上发送端的u d p 到达速率、u d p 有效流量( 定义为u d p接收端实际的接收速率) 、t c p 有效流量( 定义为t c p 接收端实际的接收速率)以及总的有效流量，以占拥塞链路带宽的百分比为单位。随着u d p 发送速率的不断增加，t c p 有效流量几乎呈直线下降，而u d p 有效流量基本保持不变。因此，随着u d p 数据流负载增加，它将影响t c p 数据流和总的有效流量。在拥塞链路上，u d p 流浪费了本应属i 】二t c p 流的带宽，从整体上使得网络的有效流量降低至整个拥塞链路带宽的一个很小部分。浙江大学硕十学位论文表1 1 三个t c p 流加一个u d p 流的网络仿真为了消除上述捌塞崩溃的潜在危险，有必要在终端节点上采取有效的端到端拥塞控制策略，同时避免在拥塞链路上产生较高的丢包率。如果终端无法辨识拥塞瓶颈链路只有一条还是多条，防止瓶颈链路高丢包率的最可靠的方法就是采用端到端的拥塞控制机制，在出现丢包发生时降低发送速率。1 4t o p 友好性目前，i n t e m e t 上使用t c p 协议的业务占大部分，但是随着网络的不断发展，音频和视频等多媒体业务( 如i p 电话、视频会议等) 在网络上的应用将会越来越多，它们对i n t e m e t 的正常运行带来了严峻的挑战 2 3 - 2 9 1 。以t c p i p 协议为基础的i n t e m e t 以可靠传输为目标，提供尽力传输的服务，当拥塞发生时只能尽力完成传输任务，而不提供q o s 保证。为了满足这些要求，许多多媒体应用采用u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 作为传输协议。u d p 是面向无连接的协议，不具有流量控制和确保传送的相应机制，不会因为网络的拥塞而减少数据的发送速率，但它的优势在于没有t c p 重传机制引起的网络额外负载，而且也硝i 需要接收方发送确认信息，可以获得较小的延时。由于u d p 业务小执行拥塞控制算法，它的使用一方面很容易导致网络过载和高丢失率，严重时会引起“拥塞崩溃”现象。另一方面，u d p 业务还会大量侵占一丢包就减少发送速率的t c p 业务的带宽，造成网络资源在各个源端分配的严重不公平。当拥塞发生时，有拥塞控制反应机制的t c p 数据流会按捌塞控制步骤进入拥塞避免阶段，从而主动减小注入网络的数据量。u d p 流由丁没有端到端的拥塞控制机1 1 叫络拥塞控制算法的研究制，即使网络发生了拥寒指示( 如报文丢失、往返时延增加等) ，也并不降低发送速率，结果导致遵守拥塞控制的t c p 流得到的刚络资源越来越少，而没有拥寨控制的数据流会得到越来越多的网络资源，这就导致了网络资源分配的严重不公平性，这种巧i 公平最终会导致t c p 流“饿死”，直至网络崩溃。这种现象从表1 1 中的仿真结果我们可以看出，随着u d p 流发送速率的不断提高，瓶颈链路一卜t c p 的有效流量越来越小。f l o y d 9 1 给出了t c p 友好性 2 9 - 3 5 的定义：在相同的网络环境下，如果一个数据流的平均发送速率不超过一个标准的t c p 流的平均发送速率，则称这个数据流是t c p 友好的( 或具有t c p 友好性) ，反之则是非t c p 友好的( 或称之为非t c p 友好流) 。非t c p 友好流1 2 川主要是指非响应流和非t c p 兼容流。非响应流：典型的非响应流是u d p 数据流，网络多媒体应用通常使用u d p协议来传输实时数据，由于无连接的u d p 流不具有端到端的拥塞控制机制，当网络发生拥寨时会继续以固定速率发送大量数据，而t c p 流的发送端检测到拥塞后会降低发送速度，如此以来，u d p 流将会不公平地占据t c p 连接的带宽，最终可能导致t c p 连接全部停止工作，严重影响了服务质量。- 非t c p 兼容流：大量网络应用出于各种不同的目的，在其传输控制协议中缺少或没有f 确地实现拥塞控制机制，这些应用在竞争资源时就会抢占更多的网络带宽；更有一些网络应用为了减少传输延迟，在不修改t c p 协议的情况下，对一个文件同时建立多个连接，导致在拥塞链路中就会占用过多的带宽，影响了瓶颈资源的公平分配。为了实现带宽占用的公平性，提高网络利用率，研究者提出了t c p 友好捐j塞控制，其目的在于：( 1 ) 如何对非t c p 友好流进行相应的拥塞控制，使它们满足t c p 友好，当网络资源存在瓶颈，链路出现拥塞时，非t c p 友好流能与t c p流公平地享用带宽；( 2 ) 提高网络带宽利用率，改善网络拥塞状况，获得更高的有效传输率，防止拥塞崩溃。随着网络技术的不断发展，规模的不断扩大，音频和视频等多媒体业务在网上的应用将会越来越多，为了使各种业务能在网络中公甲享用带宽，t c p 友好的拥塞控制变得越来越重要。关于t c p 友好的拥塞控制根据其适用的范围可以分为单播和组播两种情况，本文后面的第四章将对单播情况下的t c p 友好的拥塞控制做详细研究，目前国内外的研究主要是各种端到端的捌塞控制机制，包括基于窗口的拥塞控制以及基于速率的拥塞控制。1 5 本文的工作1 5 1 研究内容通过以上论述f , l 以看出，猢塞控制是在i p 网络上防止“拥寒崩溃”、提供t c p 友好性、保证q o s 的主要手段，对于提高网络性能具有1 f 常重要的意义。以层次化的观点来看，i p 网络中的拥塞控制策略主要包括端系统( t c p 层) 的浙江大学硕 一学位论文拥塞控制和路由器( i p 层) 的拥塞控制，两者均是网络性能优化的重点研究对象。目前研究的注意力逐渐转向网络巾的路由器等中间节点设备，期望通过加强它们的功能来实现端系统无法达到的技术目标，从| _ f 【i 改进i p 网络q o s ，更好地避免“捌塞崩溃”现象的发生。与此同时，网络多媒体应用的不断增多，也使得t c p 友好性的重要性日益突出，逐渐成为了拥塞控制研究的热点问题。本文的研究工作基于t c p 和i p 两个不同层次，在路由器拥塞控制研究中，蕈点研究主动队列管理( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，a q m ) 策略，在端系统拥塞控制的研究中，结合路由器的功能，重点解决实时多媒体流在i p 网络上传输时对t c p 流的友好性问题并且保证了一定的q o s 。论文研究的主要内容及贡献包括以下几个方面：( 1 ) 综述了l p 网络拥塞控制策略研究：通过对拥塞崩溃、t c p 友好性等基本概念的描述，分析了i p 网络中拥塞控制研究的动机：从端系统和路由器两方面着手，介绍了i p 网络中现有拥塞控制策略的研究和应用现状，对各主要算法的性能进行了分析；( 2 1 研究了路由器中的主动队列管理，基于预测控制理论提出了一种的有效的新型a q m 策略：从控制理论的角度出发，描述了拥塞控制的系统结构，引入了一种t c p 流体模型；探讨了现有主要a q m 算法的实现形式，通过仿真实验分析其应用性能：基于预测控制理论设计了一种新型a q m 策略n n p c a q m ，该策略采用神经网络分别构造预测器和控制器，同时吸收单值预测控制思想，仿真实验验证了其有效性和优越性；( 3 ) 着重于端系统拥塞控制的改进，在路由器r e d r e d 功能的支持下，提出一一种t c p 友好的拥塞控制机制e t c c ：提出了一种可用于实时多媒体流传输的t c p 友好拥塞控制机制e t c c ，仿真实验表明：该机制能够改善多媒体流对t c p流的友好性，同时进一步提高网络q o s 。1 5 2 论文结构论文的结构如图1 2 所示，安排如下i p 嘲络拥塞控制算法的研究i p 例络拥塞控制第章研究基础0l 拥塞控制主要内容i第二章上0 i 路由器拥塞控制l端系统拥塞控制l1a q m 策略研究lllt c p 友好的基于预测控制拥塞控制策略理论的a q m 策略第四章警黧卜山总结与展望第五章图1 - 2 论文组织结构第一章阐述了i p 网络中拥塞的定义及其产生的原因，论述了拥塞崩溃和t c p友好性的概念，总结了拥塞控制策略研究的意义及其目的所在，在此基础上，提出了论文的研究内容和总体结构。第二章从端系统和路由器两个层次，详细介绍了当前i p 网络各种典型的捐j塞控制算法，并且分析了其优缺点，形成了本文的研究基础和需要重点突破的问题。第三章从控制理论的角度描述了带a q m 的i p 网络拥塞闭环控制系统模型( 端到端控制系统结构) ，给出了i p 网络系统受控对象的一种传递函数模型；探讨了r e d 、p i 控制器等现有主要a q m 技术的实现形式，并通过仿真实验对其应用性能进行了分析；针对实际i p 网络的非线性、时滞和不确定的特性，基于预测控制理论提出了一种新的a q m 技术n n p c a q m ，通过仿真实验验证了其有效性，体现了相对于p i 控制器的优越性能。第四章提出了一种用于实时多媒体流传输的捐j 塞控制机制e t c c 。该机制着重于端系统的功能的改进，路由器提供相应的协作支持，采用r e d 队列管理策略，以显示拥塞指示( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，e c n ) 的方式将网络的早期拥塞状况通知端主机，端主机根据相应的速率调节机制来调节数据的发送速率。仿真实验表明e t c c 机制可以在保证t c p 友好的前提下平滑调节多媒体流的发送速率，同时降低网络的延时和丢包率。第血章划本文的工作进行总结，并且提出若干继续进行研究的方向和工作展审浙江大学硕士学位论义第二章拥塞控制策略研究进展本章首先概述了1 p 网络巾拥塞控制策略研究和应用现状，然后分别从端系统和路由器两个层次，详细介绍了当前i p 网络中各种典型的拥塞控制算法，分析了其优缺点，从而形成本文的研究基础和需要重点突破的问题。2 1 引言i p 网络拥塞控制的主要目标是控制进入网络的数据流量，保证通信子网不会被用户发送的数据流淹没，合理地使用瓶颈资源1 2 。网络拥塞控制的基本模式是端系统负责响应拥塞，而路由器负责监测网络拥塞，拥塞信号被源端系统感知，进而调节注入网络的负载。从控制理论的角度出发，拥塞控制算法可以分为开环控制和闭环控制两大类。由于实际的网络系统十分复杂，流量特征无法准确描述，因此i p 网络一般使用闭环控制方式”7 1 。由于目前i p 网络上大部分的数据流使用的是t c p i p 协议1 2 j ，因此t c p 基于窗口的拥塞控制受到了广泛的关注。早期t c p 的实现只是使用累计确认、超时重传和后退n 帧等机制，对于网络拥塞几乎没有什么控制。拥塞控制的研究开始于8 0 年代中期，1 9 8 4 年，n a g l e 首次指出了复杂i p 网络中存在的拥塞问题，特别是在由路由器连接的带宽差异较大的网络中，容易发生“拥塞崩溃”现象【2 “，但在当时没有引起足够的重视。1 9 8 8 年，j a c o b s o n 在t c p 中增加了拥塞控制算法( 即t c p t a h o e ) 提出了著名的“慢启动”、“拥塞避免”、“快速重传”算法【2 j ；1 9 9 0 年t c p r e n o 版本增加了“快速恢复”，避免了网络拥塞不够严重时采用“慢启动”而造成大幅度减小发送窗口尺寸的现象。上述四个算法是当前i n t e m e t 上主要使用的端到端的拥塞控制机制，当网络出现拥塞时，t c p 连接调整发送窗口，降低发送流量，t c p 拥塞控制机制有效地避免了拥塞崩溃现象的发生。近年来又出现了t c pr e n o 的改进版本如n e w r e n o l 6 j 、s a c k l 7 j 等，目前i n t e m e t 上广泛使用的是r e n o 版。在当前的i p 网络中，拥塞控制的绝大多数功能都是在端系统上实现的，而路由器在指示和控制拥塞方面不发挥任何作用。传统的路由器采用“先进先出”( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f o ) 的分组调度算法，使用“弃尾”算法实现缓冲区的队列管理，在发牛拥塞时路由器缓冲区溢出而丢弃队列尾部的数据包。随着i n t e m e t的规模不断扩大，新的应用不断出现，仅仅依靠端到端的拥塞控制很难满足诸如q o s 这样复杂的应用需求。于是，人们开始将部分研究注意力转向路由器，期望通过增强它的功能来实现端系统无法达到的技术目标。路由器是网络拥塞状态最直接的感受者，较端系统可以及时了解网络的拥塞状态，并依此实施有效的资源管理策略，使网络能够更加有效地避免拥塞【3j 。路由器的拥塞控制通过监测当前的负载米要求端系统增加或者减少注入网络的流量，所以在路由器处引入捌塞摔i p 网络拥寒控制算法的刊f 宄制应该作为对端系统拥塞控制机制的补充并与之协作。路由器的拥塞控制主要是指在路由器中采用队列管理和分组调度算法。但是在路由器的掘寨控制不仅要考虑其有效性，也应该考虑到在实际应用中的复杂性，但是算法的有效性是往往以其实现的复杂性为代价的，算法的复杂性往往会阻碍路由器参与i p 网络实际的拥塞控制，这也是为什么目前i n t e m e t 上绝人多数的路由器仍然使用f i f o 和“弃尾”算法的一个主要原因。综上所述，i p 网络拥塞控制的基本运行过程可用图2 1 来表示。图2 - it p 网络拥塞控制示意图2 2 端系统拥塞控制t c p 拥塞控制采用一种基于窗口的拥塞控制机制，t c p 是端系统拥塞控制的主要手段，下面就对t c p 搁塞控制及其改进算法做详细介绍。2 2 11 0 p 拥塞控制这里所说的t c p 拥塞控制指的是目前i p 网络上广泛使用的r e n o 版，它主要通过在端系统上控制一些重要参数的改变实现的，t c p 用于拥塞控制的参数主要有：( 1 ) 拥塞窗口( c w n d ) ：是拥塞控制的关键参数，描述源端在拥塞控制情况下一次最多能发送数据包的数量。( 2 ) 通告窗口( a w i n ) ：是接收端给源端预设的发送窗口大小，它只在t c p 连接建立的初始阶段起作用。f 3 1 发送窗口( w i n ) ：是源端每次实际发送数据的窗1 ：3 大小。( 4 、慢启动阈值( s s l h r e s h ) ：是拥塞控制中慢启动阶段和拥塞避免阶段的分界点，初始值通常设为6 5 5 3 5 b y t e s 或者a w i n 的大小。f 5 1 回路响应时间( r t t ) ：一个t c p 数据包从源端发送到接收端，源端收到接收端确认的时间间隔。f 6 1 超h 、j 重传计数器( r t o ) ：描述数据包从发送到失效的时间间隔，是判断数据包丢失与甭，网络是否拥塞的重要参数。通常设为2 r t t 或5 r t t 。浙江大学硕上学位论文t c p 拥寨控制主要由以卜四个部分组成【3 6 】【3 9 1 ：( 1 ) 慢启动阶段当建立新的t c p 连接时，c w n d 初始化为一个数据包大小( 缺省为5 1 2 b y t e s ) 。源端按c w n d 大小发送数据，每收到一个a c k 确认，c w n d 就增加一个数据包发送量。很显然，c w n d 在慢启动阶段每一个r t t 内加倍一次，呈指数级增长：1个、2 个、4 个、8 个，源端向网络中发送的数据量将急居0 增加。( 2 ) 拥塞避免阶段当新的c w n d s s t h r e s h ，就执行拥塞避免算法，发送端在每次收到一个a c k时只增加1 c w n d 个数据包，所以在拥塞避免算法中c w n d 的增长不是指数的，而是线性的。发送端对最近未确认的数据包维护着一个重传定时器，每收到一个新的a c k ，重传定时器的r t o 就重新设定。当源端发现超时时，即认为网络发生了拥塞( 这一假定是基于由传输引起的数据包损坏和丢失的概率很小( 小于1 ) ) ，此时s s t h r e s h 被设置为当前c w n d 的一半，c w n d 还要被置1 ，结果c w n ds s t h r e s h ，t c p 就重新进入慢启动过程。( 3 ) 快速重传和恢复阶段当数据包超时时，c w n d 要被置为1 ，重新进入慢启动，这会导致过大地减小发送窗口尺寸，降低t c p 连接的吞吐量。快速重传就是在源端收到3 个或3 个以上藿复a c k 时，就断定数据包已经丢失，而不必等到r t o 超时。快