（计算机科学与技术专业论文）有线无线混合网络显式反馈拥塞控制协议的研究.pdf

、 - 一o r e s e a r c ho fe x p l i c i tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o li n w i r e d 八i r e l e s sn e t w o r k s s p e c i a l i t y ：c o m p u t e rs c i e n c e a n d t e c h n o l o 舣一 m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：互丑望g s u p e r v i s o r ：盟翌迫塾g i 堑丕i 坠 s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：垄盔日期：j 型l 年月立日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：上业年月与日 摘要 随着网络技术的飞速发展和接入性能的提高，互联主干网向着高 带宽长延时( h i g hb a n d w i d t h d e l a yp r o d u c tn e t w o r k s ) 等特性发展， 高速无线接入使得有线无线异构型网络越来越普及。在这种网络环 境下，传统的拥塞控制协议已显示出诸多不适应，如带宽利用率低下、 流量抖动频繁、公平性差、排队延时不断增长等。基于显式拥塞通告 ( e c n ) 的传输控制协议( t c p ) 利用网络内部路由器主动参与拥塞 控制以辅助端主机调控发送速率，这使得基于显式反馈的拥塞控制协 议相对于传统的t c p 协议能更加精准地控制网络行为，避免拥塞。 本文首先介绍了近几年传输控制协议发展及研究成果，着重研究 在有线网络及包含一跳无线的有线无线混合网络环境下显式反馈拥 塞控制协议。通过n s 2 网络仿真实验分析网络中的传输延时、瓶颈 链路带宽、路由器缓存大小及流的条数等网络参数对协议性能的影 响，主要是对有线网络的显式反馈协议x c p( e x p l i c i tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 以及针对一跳无线接入的有线无线混合网络而提出的 x c p b ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c o lb l i n d ) 协议进行较为全面地分析和 评价，指出不同协议研究的侧重点及现有协议所存在的问题。 文章在总结前人工作的基础上，结合i e e e8 0 2 1 1 无线网络的传 输特性，提出一种基于e c n 机制适用于有线无线混合网络的快速传 输控制协议a r r o w - w t c p ( a c c e l e r a t et r a n s m i s s i o nt o w a r d so p t i m a l w i n d o ws i z et c pf o rw i r e l e s sn e t w o r k ) ，通过网络内部的路由器和源 端主机联动而形成一个闭环反馈控制系统，将适用于有线网络的分布 式拥塞控制协议a r r o w - t c p 扩展到无线网络中，获得高稳定性， 公平性，快速收敛性以及高信道利用率。仿真实验表明，即使在动态 的无线网络环境中，a i 汛0 w j w t c p 在稳定性、收敛性、公平性以及 带宽利用率较之x c p b 性能更优。 本文最后对所做的研究工作进行总结，阐述了在高速有线、多跳 无线网络环境下显式反馈拥塞控制协议所存在的问题及进一步的研 究思路。 关键词：e c n ，传输协议，稳定性，收敛性，公平性 a b s t r a c t w i t hr a p i da d v a n c e si nt h ed e p l o y m e n to fv e r yh i g hs p e e dl i n k si n t h ew i r e dc o r en e t w o r ka n dg r o w i n gr e q u i r e m e n t so f h i g hs p e e dw i r e l e s s a c c e s so v e rw i r e d w i r e l e s sh y b r i dn e t w o r k s t h et r a d i t i o n a lc o n g e s t i o n c o n t r o l ( t c p ) m e c h a n i s m s s u f f e r s g r e a ti n e f f i c i e n c y , u n f a i r n e s s ， o s c i l l a t i o na n dl o n gq u e u i n gd e l a y v a r i o u st r a n s p o r tp r o t o c o l sh a v eb e e n s u g g e s t e dt oa d d r e s st h e s ep r o b l e m si nr e c e n ty e a r s t h i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e s c o n g e s t i o n c o n t r o l p r o t o c o l s b a s e do n e c n ( e x p l i c i t c o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) t h es o u r c eu s e st h el o a di n f o r m a t i o nf r o mt h e i n n e rr o u t e r st ou p d a t ei t sc o n g e s t i o nw i n d o w t h e r e f o r e e c n b a s e d p r o t o c o l sc a nc o n t r o lt h en e t w o r kb e h a v i o rm o r ea c c u r a t e l ya n do b t a i n b e t t e rp e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h et h e s i sr e v i e w st h er e s e a r c h e so ft c pi nr e c e n ty e a r s ， m a i n l yf o c u s e so ne c n b a s e dp r o t o c o l so v e rw i r e d w i r e l e s sh y b r i d n e t w o r k si n c l u d i n go n ei e e e8 0 2 1 1h o p b a s e do nt h i ss t u d y , t h et h e s i s e m p h a t i c a l l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fi u tb a n d w i d t ho ft h eb o t t l e n e c k l i n k ，r o u t e rb u f f e rs i z ea n dt h en u m b e ro ff l o w so nt h ep e r f o r m a n c eo f e x p l i c i tf e e d b a c kp r o t o c o l sx c p a n dx c p b i nt h ef o l l o w i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t saf a s tt r a n s p o r tp r o t o c o lb a s e d o n 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 no v e rw i r e d w i r e l e s sn e t w o r k s a r r o w j 、 丌c p ( a c c e l e r a t et r a n s m i s s i o nt o w a r d so p t i c a lw i n d o ws i z e t c pf o rw i r e l e s sn e t w o r k ) ，w h i c hp r o v i d e saj o i n td e s i g no fs o u r c ea n d r o u t e ra l g o r i t h m s t h e yf o r mac l o s e df e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m a r r o w 二，t c pe n a b l e sf e a s i b l ed e p l o y m e n to fa r r o w - t c pf r o m w i r e dt ow i r e l e s sn e t w o r k s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t a r r o w 二，t c po u t p e r f o r m sx c p bi nt e r m so fs t a b i l i t y , f a i m e s s c o n v e r g e n c ea n d u t i l i z a t i o nu n d e r h i g h l yd y n a m i cw i r e l e s sn e t w o r k s f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ec u r r e n te x i s t i n go p e ni s s u e s ，a n d p r o v i d e s s o m ef u r t h e r i n t e r e s t i n g d i r e c t i o n so n e x p l i c i t f e e d b a c k c o n g e s t i o n c o n t r o l p r o t o c o l s o v e r h i g h - s p e e d w i r e dn e t w o r k sa n d m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k s k e y w o r d s ：e c n ，t r a n s p o r tp r o t o c o l ，s t a b i l i t y , c o n v e r g e n c e ，f a i m e s s 目录 摘要。i a b s t r a c t 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景。1 1 2 研究现状及问题的提出2 1 3 显式反馈协议研究内容及性能指标。3 1 4 本文的主要工作4 1 5 论文组织5 第二章显式反馈协议研究7 2 1 拥塞控制协议的发展。7 2 2 显式反馈协议的研究8 2 2 1 有线网络显式反馈协议及存在问题9 2 2 2 仿真测试结果与性能分析1 0 2 3 本章小结1 9 第三章无线网络环境下的显式反馈协议2 1 3 1 无线局域网概述2 1 3 2 t c p 在无线网络中的问题2 3 3 3 无线网络环境下显式反馈协议的研究2 4 3 4x c p b 性能分析2 5 3 4 1 模拟环境和参数配置2 6 3 - 4 2 实验场景和性能分析2 7 3 5 本章小结3 3 第四章一种基于显式反馈有线无线混合网络下快速拥塞控制协议3 5 4 1 概述3 5 4 2a r r o w w t c p 协议设计3 5 4 2 1a r r o w - t c p 协议3 6 4 2 2a 砒的w 二w t c p 协议3 8 4 3 理论分析4 2 4 4 模拟仿真与结果分析4 3 4 5 本章小结4 9 第五章结束语5 0 i i i 5 1 研究工作总结与主要创新点5 0 5 2 进一步的研究工作5 1 参考文献。5 2 致谢5 7 攻读硕士期间主要的研究成果。5 8 i v 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章综述网络拥塞控制协议的研究背景和研究现状，分析了显式反馈拥塞控 制协议在成为目前传输控制协议的研究热点的主要原因，并进一步阐述显式反馈 拥塞控制协议在高带宽长延时网络和一跳无线网络环境下发展以及所面临的新 问题和挑战。 1 1 研究背景 传统的网络拥塞控制【1 l 是通过传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 中端到端的基于滑动窗口的流量控制来完成的。1 9 8 8 年vj a c o b s o n 指 出了t c p 在网络拥塞控制【2 】方面的不足，并提出“慢启动”( s l o ws t a r t ) 和“拥 塞避免”( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 算法，随着网络技术的不断向前发展，t c p 始 终是网络拥塞控制算法的主流。 伴随着网络带宽和往返时延的不断增加，互联主干网络开始呈现出高带宽长 延时( h i g l lb a n d w i d t h d e l a yp r o d u c tn e t w o r k s ) 的网络特征【3 1 ，研究人员发现传 统t c p 协议本身成为限制网络性能的瓶颈所在，其主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 传统t c p 的a i m d 窗口管理机制造成网络带宽利用率很低。t c p 协议的 “拥塞避免”阶段所采取的策略不适用于高速网络，保守的加性增加和激进的乘 性减少窗口管理策略抑制了t c p 在高带宽延时网络下的发展。在高带宽延时网 络中由于丢包导致发送窗口减半，从拥塞避免阶段恢复到网络满利用率稳态所需 要的时间往往难以让用户接受。 ( 2 ) r 1 厂r 差异所带来的吞吐量不公平性加剧【4 】。在传统t c p 协议中一直存在 流与流之间r t t 不公平性的问题，这在高带宽延时网络上表现得更加尖锐，吞 吐量不公平性现象表现得更加显著。 ( 3 ) t c p 流的抖动频繁，网络不稳定性加剧。文献【5 ，6 ，9 】证明，在高带宽延 时网络环境下，t c p 流将会不断抖动，从而造成网络中路由器上队列长度产生不 稳定。文献【5 】还指出，任何一种主动队列管理机制在高带宽延时网络中都不能 维持其队列稳定性，而t c p 的性能随着链路带宽或延时的增加会逐渐降低。 由于当前各种应用的迫切需求以及传统t c p 协议本身所存在的缺陷，研究 适用于下一代互联网的传输协议成为近年来网络研究中的一个热点问题。国内外 研究人员均针对这一问题进行了广泛的理论研究和实践分析。显式反馈拥塞控制 协议【。7 8 1 的首次提出是为了解决t c p 协议的一些局限性，如在高带宽延时积网络 环境下利用率低下，吞吐量不稳定性，中间路由器维持较长队列和友好性差等一 硕士学位论文第一章绪论 系列问题。显式反馈控制协议的典型代表有x c p ( e x p l i c i tc o n g e s t i o np r o t o c 0 1 ) 9 - 1 2 , 其核心思想即根据控制理论的原理，利用网络中间路由器提供的相关信息 反馈给源端来调节发送端的发送窗口或速率，使得显式反馈协议无论在传统网络 中还是高带宽延时网络环境下性能都远远优于现有的传输控制协议t c p 。随着网 络的不断扩大和延伸，异构型网络已经是一种普遍存在的形式，而无线局域网络 3 ，1 4 j 在校园和生活小区也在不断普及。为了适应在现有网络环境下传输控制协议 向无线网络的扩展和延伸，人们开始研究如何把显式反馈协议引入无线网络中 i t s , 1 6 1 ，而无线局域网成为首要推广的领域。本课题主要研究和提出一种新的显式 反馈的拥塞控制协议使得在无线局域网中也能获得高的信道利用率，平滑而快速 的收敛时间，以及即时的瓶颈切换响应。 1 2 研究现状及问题的提出 随着无线网络的普及，对无线网络拥塞控制协议的研究逐渐成为当前研究的 热点。同传统的拥塞控制协议相类似，无线网络中的拥塞控制大致有如下三种分 类： ( 1 ) 仅依靠源端做拥塞感知和拥塞响应的端到端的拥塞控制协议，其代表有 t c pv e n o 1 7 1 ，t c pw e s t w o o d l l 8 - 2 0 ： ( 2 ) 协同中间路由器做速率控制和拥塞窗口控制的显式反馈的拥塞控制协 议，如x c p b t 2 1 啦】，w x c p 2 3 1 ： ( 3 ) 联合t c p 层和8 0 2 1 1m a c 层的跨层拥塞控制，相关研究的参考文献见 【2 4 2 8 。 端到端拥塞控制协议，主要通过端主机主动检测丢包事件、测量r t t 延时 信息、或者估计有效带宽等手段来探测网络负载情况和感知拥塞，并相应地调节 发送窗口。t c p v e n o 是在t c pr e n o 和t c p v e g a s t 2 9 】的基础上，结合两者的特点， 对慢启动、拥塞避免和快速恢复算法进行改进，使用和t c pv e g a s 相类似的机制 估计当前连接所处的状态，推断数据包的丢失是拥塞丢包或者随机丢包，使t c p 协议在无线网络环境下性能有了较大的改善，并兼顾了协议的公平性、灵活性。 t c pw e s t w o o d 采用的是一种有效带宽预估机制，通过在源端持续监测返回a c k 的速率，从而计算拥塞窗口和慢启动阈值。但是由于t c p w 对于可用带宽存在 过高估计的问题，使得它与其他协议共存时的公平性很差。 基于显式反馈的拥塞控制协议，其主要思想利用网络中间节点检测其本身的 拥塞状态并发送反馈信息给源端，以调节源端发送窗口值及发送速率。基于e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) 的传输控制协议的典型代表x c p 。x c p 是应 用于高带宽延时积网络的显式反馈协议，通过显式地通告发送端增加或者降低多 2 硕士学位论文 第一章绪论 大的发送窗口来使各用户流公平的共享网络资源，首次实现了效率控制器和公平 控制器的真正解耦。x c p b ( x c p b l i n d ) 在x c p 的基础上进行改进和扩展，通 过无线网关节点b s ( b a s es t a t i o n ) 缓存中队列长度的变化来估测无线信道剩余 可用带宽，从而实现显式反馈协议x c p 在无线上的应用，但是其在突发流和w e b 存在的网络环境下性能低下。w x c p 则是x c p 协议在无线多跳网络环境下扩展 和延伸。 跨层的拥塞控制是通过t c p 层和m a c 层的协同工作来完成的。这种方法所 面临的主要问题是来自无线信道的干扰、捕获效应、长延时、上下行流不公平性 以及有限的信道带宽。文献 2 5 1 提出了一个拥塞窗口的阈值，通过这个值的设置 可以使得信道带宽的利用率达到最高，而一旦大于这个值，冲突和干扰就开始削 弱无线信道吞吐量。这个值比t c p n e w r e n o 所设置的c w n d 稍小。文献 1 8 1 得 出在无线多跳网络中存在一个带宽延时积的上限值，以此证明了【2 5 的结论。文 献 2 4 2 8 1 y g 无线网络拥塞控制算法研究提供了很好的参考资料，但是他们都只适 用于多跳的无线网络。 显式反馈拥塞控制协议x c p 在高速有线网络环境下能获得稳定的吞吐量、 公平的带宽分配、低排队延迟以及瓶颈链路的满利用率，如何将显式反馈的思想 应用于无线网络传输控制协议的设计，并使显式反馈协议在有线网络环境下良好 性能在多速率、共享接入的动态无线网络中继续保持，这是我们无线显式反馈拥 塞控制协议的研究动机。 1 3 显式反馈协议研究内容及性能指标 网络运营商期望构建的网络能够达到带宽资源地充分利用，在网络链路上具 有高吞吐量，高利用率；而网络用户则希望在高吞吐量的前提下能公平共享网络 资源。因此拥塞控制算法的两个主要目标是高效率( e f f i c i e n t ) 和公平共享( f a i r ) 。 显式反馈拥塞控制协议在稳定性、收敛性、公平性以及带宽利用率都比传统 的拥塞控制协议性能更优。我们从显式反馈拥塞控制协议在有线网络到无线网络 环境再到有线无线混合网络的发展历程来研究显式反馈协议的运行机制及算法 改进，从带宽利用率、公平性、稳定性、收敛速度这几个性能指标来度量和评价 协议的性能。 高效率：高效率刻画了拥塞控制算法保持每条瓶颈链路的输入流的平均聚集 速率匹配其出口速率( 链路带宽) 的能力； 公平性：公平性在网络行为中指相对的公平，在众多的公平分配原则中我们 考虑m a x m i n 公平【3 0 1 ，即具有相同瓶颈链路的所有用户流必须分配相同的带宽 资源： 硕士学位论文第一章绪论 稳定性：系统的稳定性指系统在有限时间内能收敛到系统的平衡状态，使整 个网络达到一种平衡稳定状态； 收敛速度：系统的收敛速度由系统进入平衡状态所需的时间刻画。给定任意 小的占( 0 ，1 ) ，系统进入平衡状态所需要的时间，p ) 越小，收敛速度越快。指数 收敛指系统能够以指数衰减的速度收敛到平衡状态，收敛的过程一般有单调收敛 和阻尼振荡收敛。我们期望能获得单调的指数收敛性能，因为阻尼振荡收敛会产 生较大的超调量。网络中业务流的产生是随机的，较大的超调量会产生较多的瞬 态丢包。 由上可见，稳定性能够保证拥塞控制算法的有效运行，阻尼振荡收敛可能会 引起瞬态丢包，稳态误差则导致稳态丢包，指数收敛能保证链路带宽的高利用率。 拥塞控制的理想性能目标是使得用户流能够在任何状态下单调指数收敛到其平 衡状态并没有稳态误差，从而不会向网络中注入过多流量，也不会引起排队现象 和网络丢包。在显式反馈拥塞控制协议的研究过程中，我们所要做的就是在有线 无线混合网络结构下优化网络性能，特别是在动态网络环境和突发流存在的情 况下仍能获得高带宽利用率、快速收敛、高稳定性以及m a x m i n 公平性。 1 4 本文的主要工作 本文系统研究了基于显式反馈的拥塞控制协议在有线和一跳无线混合网络 环境中的运行机制以及性能仿真结果。着重分析显式反馈拥塞控制协议在传统网 络环境下的性能以及存留的问题，并针对这些问题提出新的解决方案。 本文首先研究了在高带宽延时积网络中显式反馈拥塞控制协议x c p 。评价 其相对于传统的端到端拥塞控制协议的优点，同时发现其优越性能下所存在的不 足。x c p 协议性能受到网络环境参数的影响，特别是瓶颈路由器缓存大小因素 的影响，同时其稳定性也受到i 册因素的制约。我们通过大量的仿真实验以及 理论计算给出相应的定性分析。 接下来，传统的传输控制协议从有线向无线网络应用延伸过程中，x c p 协 议由于其优良的性能而受到广泛的关注，x c p b 就是在x c p 基础上向一跳无线 的有线无线混合网络扩展的产物。x c p b 继承了x c p 稳定性、收敛性、公平性 等优良特性，同时使得显式反馈协议在多速率、多接入、信道共享的一跳无线网 络中得到应用。我们详细分析x c p b 协议实现的基本原理以及无线8 0 2 1 1 信道 的特征，为提出新的应用于有线无线混合网络环境下的显式反馈拥塞控制协议 打下基础。 在已有的传输控制协议中利用网络内部路由器主动参与网络拥塞控制，x c p 4 硕士学位论文 第一章绪论 通过显式通告发送端该增加或降低多大的发送窗口来使各用户流公平的共享网 络资源，首次实现效率控制器和公平控制器的真正解耦，但是x c p 在多瓶颈链 路环境下不稳定，无法实现资源的公平分配，这是因为该协议敏感于网络的负载 变化，从而在复杂多瓶颈拓扑环境下不能提供很强的稳定性和公平性；r c p l 3 l j 协议通过显式速率分配实现了网络资源的m a x m i n 公平分配，但是新流加入时， r c p 具有很大的超调量，容易造成大量的瞬时丢包；j e t m a x 3 2 j 协议着眼于多路 由器稳定性和全局网络资源m a x - m i n 公平分配，实现在任意拓扑环境下和任意网 络参数配置下，算法的稳定运行和网络资源的公平共享，但是其缺乏瓶颈链路的 确认机制，从而导致发送速率的震荡不稳定。a r r o w - t c p l 3 3 j 协议设计一种更为 稳定和快速的分布式拥塞控制算法，能够在各种网络拓扑和瓶颈链路动态变化的 网络环境中获得很强的稳定性，并保证平滑无震荡的收敛性能和o ( 1 ) 的收敛时 间，收敛性能与协议参数和链路带宽无关，基本实现了零丢失率、零排队延时和 满链路利用率的理想性能目标。综上所述，本文结合a r r o w - t c p 和x c p b 的 优点，提出了一种快速收敛的有线无线混合网络的拥塞控制协议 a 的w - w t c p ，该协议继承原有协议的优点，实现了显式反馈协议的无线扩展， 并在突发流和随机流存在的情况下，能够在常数时间内获得快速收敛，高稳定性 以及高带宽利用率。 1 5 论文组织 论文全文共分为五章。 第一章绪论，这一章介绍了传统拥塞控制协议的现状以及发展趋势，并引出 了显式反馈拥塞控制协议的研究。随着网络从有线向无线的扩展，必将使得传统 的拥塞控制协议面临新的问题和挑战。 第二章总结和分析有线网络下显式反馈协议的研究现状，以x c p 协议为例， 分析其和传统端到端的拥塞控制协议相比的优势以及存在的不足，并给出网络参 数( 如路由器缓存、r 广r 等) 对协议性能影响的定量、定性分析结论。 第三章将眼光转移到无线网络环境下显式反馈协议的研究，在多速率、多接 入共享信道的无线8 0 2 1 1 网络中，x c p b 既传承x c p 稳定性、收敛性、高效公 平的优良特质，又能适应动态可变的无线信道传输。 第四章在总结前人工作的基础上，结合a r r o w - t c p 协议的理论基础，提 出了一种快速收敛应用于有线无线混合网络的显式反馈拥塞控制协议 a r r o w 二w t c p 。该算法实现在动态的网络环境下同样也能获得高带宽利用率、 快速收敛、稳定性以及公平性。并通过实验结果证明了舢淑o w 二w t c p 在各种 5 生竺墅塑笙垦一 釜二童笪笙 一 一 昂一早霸配 负载条件下都能保持高吞吐率，快速收敛性和m a x m i n 公平性。 第五章为结束语。对本文的研究工作进行了总结，指出了目前研究中还存在 的一些问题和不足，并阐述了下一步研究工作将围绕多跳无线网络环境下的拥塞 控制而展开。 6 硕士学位论文第二章显式反馈协议研究 第二章显式反馈协议研究 本章首先简要介绍拥塞控制协议发展历程，接下来阐述当前显式反馈拥塞控 制协议的研究，着重讨论有线网络环境下显式反馈协议x c p 存在的问题，分析 其原因并给出相应的解决方案，以此引出显式反馈协议的进一步研究内容。 2 1 拥塞控制协议的发展 在当前网络拥塞控制的研究领域中，拥塞控制基本分为三类：基于端到端的 拥塞控制：协同中间路由器进行速率或拥塞窗口调节的拥塞控制；以及随着有线 向无线发展而衍生出跨层的拥塞控制。 传统的拥塞控制方法完全依赖于端主机的流量控制，网络完全被视为一个 “黑盒子”，发送端通过收到重复a c k ，或者r t o 超时等信息判断网络的负载 和拥塞状况，从而单方面地调节发送窗口，缓解网络中的拥塞。传统的t c p 及 后面众多的改进版本都是基于端到端拥塞控制协议。其中具有代表性的协议包 括：r e n o 3 4 1 ，n e w r e n o l 3 s ，v e g a s 2 9 1 ，v e n o 1 7 1 ，w e s t w o o d 18 1 ，h s t c p 3 6 1 ，s t c p 3 7 1 ， f a s t 3 8 】等。r e n o ，n e w r e n o 是基于丢包事件来判断网络拥塞的，而v e g a s 则是 通过观测t c p 连接中r 1 丌时间变化来调节拥塞窗口：v e n o 是结合r e n o 和v e g a s 的特点，对慢启动、拥塞避免和快速恢复进行改进，能区分拥塞丢包和随机丢包， 使t c p 在无线网络环境下性能有较大改善；t c pw e s t w o o d 根据包对思想估计信 道带宽，相比r e n o 无论是在有线网络还是无线网络性能都有很大提高，但由于 它对于信道带宽的过高估计，使得它与其他协议共存时公平性很差；h s t c p ， s t c p 和f a s t 都是针对高带宽延时网络提出的高速t c p 协议。 随着对于网络内部信息掌握要求的提高，研究者将目光转移到网络内部路由 器中间节点设备，通过内部路由器主动参与拥塞控制以辅助端主机调控发送速 率，与端主机联动成为一个闭合的反馈控制系统。这种拥塞控制思想最初由e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ) 机制衍生而来。路由器将网络负载信息用几个 b i t 位的信息进行编码，发送端依据a c k 反馈信息来判断网络拥塞级别，进而实 施相应的速率调控策略。v c p p 9 1 用2 b i t 信息将网络负载划分为低负载、高负载和 过负载3 个拥塞级别，在不同的拥塞级别上实施各自的窗口调节策略。v c p 用 较低的代价实现网络资源的准m a x r a i n 公平分配；x c p 增大数据流传输过程中 反馈通告信息的存放字节，加强了通告信息的内容，由中间路由器检测自己的拥 塞状态后，直接将合适的发送窗口调节值返回给源端。x c p 兼顾了网络中的高 7 硕士学位论文 第二章显式反馈协议研究 效性和公平性，具有很强的自适应能力。x c p - b 是针对多接入、多速率信道共 享的w l a n 而提出显式反馈拥塞控制协议，利用b s 节点缓存中队列长度的变 化来计算无线信道的可用带宽，将x c p 在有线网络的优良性能在有线无线混合 网络中加以继承。w x c p 是x c p 进一步在无线多跳网络环境下的扩展和延伸。 e m k c 4 0 j j 匿过资源用户模型，采用虚拟的分组丢失率( 链路价格) 来调控用户 的发送速率，首次提出时滞不相关的稳定拥塞控制系统，该算法在各网络环境下 的稳定性大大增加。j e t m a ) 【3 2 】着眼于多路由器稳定性和全局网络资源m a ) 【m i n 公平分配，提出一种显式速率分配的拥塞控制算法，实现了在任意拓扑环境下和 任意网络参数配置下算法的稳定运行和网络资源的公平共享。但是进一步研究表 明x c p 在多瓶颈链路环境下不稳定，其太敏感于网络负载的变化，在复杂多瓶 颈拓扑环境下不能提供很强的稳定性和公平性。而j e t m a x 缺乏瓶颈链路的确认 机制，这造成发送速率的震荡不稳定。从已有协议分析和仿真实验可知，以上显 式反馈拥塞控制协议在多链路稳定性和收敛性方面严重不足，为此，一种更为稳 定和快速的分布式拥塞控制算法a r r o wt c p 应运而生。它能够在各种网络拓 扑和瓶颈链路动态变化的网络环境中获得很强的稳定性，并保证平滑无震荡的收 敛性能和o ( 1 ) 的收敛时间，收敛性能与协议参数和链路带宽无关。 随着无线网络技术如无线局域网( w l a n ) 、移动自组网( a dh o e ) 【4 、无 线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) f 4 2 】的出现及迅速应用，人们开始关注 无线网络和传统i n t e m e t 网络融合问题。传统的t c p i p 协议不能适应有线与无线 网络混合结构，从网络体系结构提出的跨层设计思想就是其中一种解决方案。跨 层设计是通过在协议栈各层之间传递相关的信息来协调协议栈各层之间的工作 过程，而m a c 层与t c p 层的交互成为无线网络拥塞控制的主流。s n o o p i s 】协议 通过在基站中引入代理模块，监视t c p 连接上下行流的所有分组，从而在本地 基站完成丢失报文的重传，避免了快速重传的时延，在发送端完成拥塞控制。 e l n 0 6 协议结合s n o o p 协议和显式拥塞通告( e c n ) 方法，弥补s n o o p 协议局 限的同时，考虑固定主机到移动终端方向上吞吐量和延时性能的改进。 2 2 显式反馈协议的研究 显式反馈拥塞控制最初由e c n 机制衍生开来，e c n 机制被用来部署在中间 路由器上进行缓存队列管理，提前检测拥塞并向发送端通告拥塞，以此加强t c p 的传输性能。根据端主机与中间路由器交互信息量的多少，可以进一步分为“灰 盒 协议和“白盒 协议。“灰盒 协议以v c p 为典型代表，v c p 用2 b i t 信息 将网络负载划分为不同拥塞级别，用较低的代价实现网络资源的准m a x m i n 公平 分配，但是收敛性比较差。在“白盒 协议中，网络负载信息被更为精确地填入 8 硕士学位论文 第二章显式反馈协议研究 协议分组头，如公平速率、链路价格因子、链路的负载比重等。如x c p 通过显 式通告发送端该增加或降低多大窗口来使各用户流公平的共享网络资源；类似 地，r c p 3 1 】通过显式速率分配实现网络资源m a x - r a i n 公平分配；e m k c 4 0 1 基于资 源一用户模型，采用虚拟分组丢失率来调控用户发送速率，实现e m k c 系统时滞 无关稳定性；j e t m a x 着眼于多路由器稳定性和全局网络资源m a x m i n 公平分配， 实现了在任意拓扑环境和任意网络参数配置下，算法的稳定运行和网络资源的公 平共享；c l t c p 4 3 运用生态学中生物群体数量变化的l o g i s t i c 模型和“资源用 户 关系，实现资源在各用户之间的公平非配，加强算法的收敛性；在此基础上， 结合前面算法的优点及存在的不足提出一种更为稳定和快速收敛的分布式拥塞 控制算法a r r o wt c p ，它能够在各种网络拓扑和瓶颈链路动态变化的网络环境 中获得很强的稳定性能，并保证了平滑无震荡的收敛性和o ( 1 ) 的收敛时间，且 收敛性能与协议参数和链路带宽无关。 2 2 1 有线网络显式反馈协议及存在问题 显式反馈拥塞控制协议的提出是为了解决传统t c p 在高带宽延时积网络环 境下利用率低，吞吐量不稳定，中间路由器维持较长队列和友好性差等一系列问 题。利用中间路由器提供更为精准的网络负载信息给源端，从而更好调节发送窗 口或速率。本节以x c p 协议为例，对显式反馈拥塞控制算法的运行机制以及性 能进行研究和分析。 x c p 的控制算法的核心主要体现在路由器上。中间路由器通过效率控制器 和公平控制器进行反馈值的计算。效率控制器采用m i m d 方式周期性地计算链 路剩余可用带宽，如公式( 2 1 ) 所示。 f = 口( c 一却甜一b w ) 一羔( 2 1 ) - i 其中c 为链路带宽，i n p u tb w 为上一次控制周期内链路的实际流量，也即 用户的输入流量，g 为缓存中的队列长度，d 为控制周期，设置为平均砌广r 大小， a 和为常量参数。公平控制器将反馈回来的剩余带宽按照a i m d 的方式分配给 每流，当为正反馈时，每流所获得的带宽是均等的；当为负反馈时，每流应减少 的带宽同当前所占带宽成正比；而当反馈值为零时，将当前流量的1 0 依据 a i m d 机制重新进行分配。x c p 是以数据包为单元进行流量控制的。记录在每 个数据包头中的反馈值为正负反馈之和，如公式( 2 2 ) 所示。其中p ，为正反馈，聊 为负反馈。而最终到达接收端的信息是该链路中拥塞最严重的路由器所计算出来 的反馈值。 日红踢咄= 忍一玛( 2 - 2 ) 9 硕士学位论文第二章显式反馈协议研究 经路由器计算出来的反馈信息由数据包送到接收端，接收端将反馈信息拷贝 到a c k 包头，源端则根据a c k 返回的信息进行拥塞窗口的调节。以此来完成 整个闭环系统的拥塞控制，使得整个系统最终达到稳定和收敛。 在参考文献【9 】中，x c p 的作者用控制的理论证明了系统稳定的充分条件， 同时也给出x c p 与t c p 在不同主动队列管理机制下性能比较的仿真实验，验证 了无论是在传统的网络环境下还是高带宽延时网络环境下，x c p 在带宽利用率、 瓶颈队列长度和丢包率等方面都远远优于传统的t c p 协议。但是作者并没有提 到缓存大小的设置对于协议性能的影响。虽然x c p 的瓶颈队长相对于传统t c p 协议维持了较低的队列长度，但这只是一个相对比较值。下面我们将在x c p 源 码的基础上进行一系列仿真实验，测试缓存大小对x c p 的性能影响。 2 2 2 仿真测试结果与性能分析 在参考文献 4 4 】中，作者通过理论分析和实验证明了x c p 的稳定性受 r 1 r r m 咖和r t t m 双之比的制约，同时我们发现x c p 的稳定性还受路由器缓存大 小的限制。虽然x c p 能维持较低的排队延时，但是实际上瓶颈路由器缓存大小 的设置应远远大于所维持瓶颈队列长度的大小。 目前对于高带宽延时网络中路由器缓存大d d 4 5 】设计方法主要有五类。经验法 则是将缓存大小设置为网络瓶颈的带宽延迟乘积，这种方法由于简单易行被广泛 采用，但是随着网络带宽和延迟的不断加大，这种设置方法逐渐暴露出系列缺 陷和不足。最近一些文献在理论上对经验法则提出挑战：s t a n f o r dm o d e l 缓存机 制首先对经验法则提出改进【4 6 l ，作者认为当前骨干路由器的流量呈现出一种统计 多路复用的特征，为保持出口链路的充分利用，缓存大小只需设置为瓶颈带宽延 迟乘积除以t c p 流数的平方根。采用这种设置方法，缓存空间会随着流数的增 多而逐渐减小。文献 4 7 】提出相反的观点，为避免过高的丢包率和频繁的超时重 传，路由器缓存大小应与t c p 流数成比列，即每流都有一定的缓存空间，这就 是f p q ( f l o wp r o p o r t i o n a lq u e u i n g ) 机制，动态测量活动t c p 流数目，成比例 设置路由器的可用缓存空间。文献【4 8 】提出t i n yb u f f e rr u l e 机制，认为t c p 发 送端采用t c pp a c i n g t 4 9 l 机制以牺牲一部分利用率( 1 0 , - 1 5 ) 为代价，缓存可以 减小到十几个数据包大小，这种设置方法适应于当前迅速发展