（计算机科学与技术专业论文）高速网络拥塞控制协议的研究.pdf

浙江大学搏士学位论文 摘要 摘要 互联网拥塞控制机制的研究一直是网络研究界关注的热点问题。拥塞控制 机制是要提供传输流的传输速度与网络所能提供的可利用带宽有效的匹配的保 证。互联网的应用之所以能快速的发展和稳定的运行，拥塞控制机制的研究成 果起着重要的作用。随着通信技术的发展，互联网正在逐步的进入高速网络时 代，网络研究界称之为高带宽延时积( h i g h b a n d w i d t h - d e l a y p r o d u c t , b d p ) 网络。 也正是因为t c p 的a i m d 机制使得当前的t c p 协议无法适应高带宽延时积网络 环境的需求，造成网络资源的浪费的同时，也使得t c p 流无法保持一个高的稳 定的吞吐量。在高速网络环境中，拥塞控制机制的研究面临着新的挑战。高速 网络拥塞控制协议的研究是本文的研究内容。本文的研究分为两部分：高速网 络单播拥塞控制协议、商速网络可靠组播拥塞控制协议。 本文首先通过仿真实验表明v c p ( v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n g e s t i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 协议在高的链路利用率，小的队列长度和丢包率方面的性能接近于x c p ( e x p l i c i tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。但是仿真分析表明v c p 存在着收敛速度慢的问题和公 平性问题。为了解决v c p 的收敛速度慢和公平性的问题，本文在v c p 协议的基 础上，提出一个扩展的可变结构拥塞控制协议e v c p ( e x t e n d e dv c p ) 。e v c p 协 议采用了收敛控制器算法来加速收敛于公平带宽分配。本文对收敛控制器能提 高收敛性能的原因进行了数学分析，而后本文通过仿真来显示e y c p 的收敛性能。 其次，本文又提出了改进的e v c p 协议。改进的e v c p 协议复用i p v 6 报文头 中的4 个二进制位来传送拥塞信息，从而提高了拥塞反馈信息的粒度。基于实 时的拥塞反馈信息，改进的e v c p 能动态的控制拥塞窗口。改进的e v c p 协议提 高了拥塞跃迁点，减少了a i 阶段的负载指数区闻，同时又确保了协议的公平性。 改进的e v c p 协议进一步提高了协议的收敛性能。实验结果表明改进的e v c p 协 议不仅保持了v c p 协议的优点( 高的链路利用率、低的持久队列长度和小的丢包 率) ，同时提高了协议的收敛性能和公平性。 最后，为了适应网络的发展，尤其是大带宽的链路的部署，同时可靠组播 的应用发展，可靠组播拥塞控制协议既要保持公平性的同时也要为提升链路的 利用率。本文提出了基于x c p 框架的可靠组播拥塞控制协议x r m c c p ( x c p f r a m e w o r kb a s e dr e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。x r m c c p 扩展x c p 浙江大学博士学位论文 协议框架来支持o n e - t o - m a n y 的可靠组播拥塞控制。x r m c c p 是一个基于窗口单 速率的可靠组播传输拥塞控制协议。仿真实验表明x r m c c p 与x c p 协议保持着很 好的公平性和x p o j c c p 会话之间的公平性。另外，x r m c c p 能在很短的时间内收敛 于公平的带宽分配，并且使得瓶颈链路的利用率有很大的提高。x r m c c p 能适合 于大b d p 网络环境下的可靠组播服务。 本文的创新点在于提出e v c p 协议和改进的e v c p 协议来提高收敛性能和公 平性，它们分别采用了收敛控制器，提高拥塞信息的粒度实现动态的拥塞窗口 控制；另外在高速网络可靠组播拥塞控制协议的研究方面提出了x r m c c p 基于x c p 框架的可靠组播拥塞控制协议。 关键词：拥塞控制；可靠组播；t c p ；v c p ：e v c p ；x c p ；x r m c c p ；t f r c u 浙江大学博士学位论文 a b s w a d a b s t r a c t 1 1 1 e m e m c tc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma l w a y si so n eo fa c t i v et o p i co ft h e n e t w o r kr e s e a r c hc o m m u n i t y t r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nc o n t r o ld o e sa l le f f e e t i v ej o b t om a t c h i n gt r a f f i cd e m a n dt oa v a i l a b l ec a p a c i t yo fn e t w o r k 。r e s u l t so f c o n g e s t i o n c o n t r o lr e s e a r c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h eq u i c kd e v e l o p m e n ta n ds t e a d y f u n c t i o n i n go f a p p l i c a t i o n so f t h ei n t e r a c t w i t ht h eb r e a k t h r o u g ho f c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，t h ei n t e r a c ti ss h i f t i n gt ot h ea g eo fh i g h - s p e e dn e t w o r k ，w h i c hi sc a l l e d a sh i 【g i lb a n d w i d t h - d e l a yp r o d u c t ( b d p ) n e t w o r ki nt h en e t w o r kr e s e a r c hc o m m u n i t y h o w e v e r , t h ev e r yl e a s o no ft c p sc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma i m dm a k e s p r o b l e m sf o rc u r r e n ts t a n d a r dt c pf a c i n gt h eh i g hb d pn e t w o r k r e s e a r c ho n c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lf o rt h eh i g hs p e e dn e t w o r kh a sn e wc h a l l e n g e s , i ta l s o i st h em a i nt o p i co ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o nc o m p r i s e st w o p a r t s ：t h eu n i c a s tt r a n s m i s s i o nc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o la n dt h er e l i a b l em u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lf o rh i 曲s p e e dn e t w o r k f i r s t l y , t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tv a r i a b l e - s l n 】c 巾】r e c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( v c p ) h a st h ep r o b l e m so fc o n v e r g e n c ea n df a i r n e s s i n o r d e rt os o l v et h e s et w op r o b l e m s ，w ep r o p o s e dt h ee x t e n d e dv a r i a b l e - s t r u c t u r e c o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( e v c p ) , w h i c hw a sb a s e do nv c ee v c pa d o p t s c o n v e r g e n c ec o n t r o l l e rt os p e e du pt r a f f i c sc o n v e r g i n go n t of a i rs h a r eo fb a n d w i d t h w ea l s om a t h e m a t i c a l l ya n a l y s e dt h er e a s o no fi m p r o v e m e n to fc o n v e r g e n c ea n d f a i r n e s s t h e n , w ec a r r i e do n ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st os h o wt h ep e r f o r m a n c eo f e v c p s e c o n d l y ，w ep r o p o s e dt h ee v c p se n h a n c e dv e r s i o n i tm u l t i p l e x sf o u rb i t so f c l a s so ft r a f f i cs e g m e n ti ni p v 6h e a d e rt oi m p r o v eg r a n u l a r i t yo fc o n g e s t i o n f e e d b a c k b a s e do nr e a l - t i m ec o n g e s t i o nf e e d b a c ki n f o r m a t i o n ，e v c p se n h a n c e d v e r s i o nc a nd y n a m i c a l l yc o n t r o lc o n g e s t i o nw i n d o w e v c p se n h a n c e dv e r s i o n i n c r e a s et h ec o n g e s t i o nt r a n s i t i o np o i n ta n dd e c r e a s et h ea tr a n g eo fl o a df a c t o r t h e s em e a s u r e m e n t sh e l pe v c p se n h a n c e dv e r s i o nt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o n v e r g e n c ea n df a i m e s s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te v c p se n h a n c e dv e r s i o nn o t 1 1 1 浙扛大学博士学位论文 a b s w a c t o n l yk e e p st h ea d v a n t a g e s ( 1 l i g hu t i l i z a t i o no fl i n k ，l o wp e r s i s t e n tq u e u el e n g t ha n d s m a l lp a c k e td r o pr a t e ) o f v c pb u ta l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o n v e r g e n c ea n d f a i r n e s s l a s t , i no r d e rt om e e tt h ed e v e l o p m e n to f t h ei n t e r n e te s p e c i a l l yt h ed e p l o y m e n to f h i g h - s p e e dn e t w o r ka n d t h er e q u i r e m e n to fk g hs p e e dr e l i a b l em u l t i c a s t t h er e l i a b l e m u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o ln o to n l yk c 印f a i r n e s sb u ta l s os h o u l dm a k e c o n t r i b u t i o nt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fl i n k w ep r o p o s e dax c pf r a m e w o r kb a s e d r e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( x r m c c p ) x r m c c pe x t e n d st h e x c pt os u p p o r to n e - t o - m a n yr e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 x r m c c pi sa w i n d o w - b a s e ds i n g l er a t er e l i a b l em u l t i c a s t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tx r m c c p c a na c h i e v et h ef a i r n e s sb e t w e e nx c pt r a f f i c sa n dx i 己m c c ps e s s i o n sa n da m o n g x r m c c ps e s s i o n s a d d i t i o n a l x r m c c po n l yn e e dv e r ys h o r tt i m et oc o n v e r g eo n t o f a i r n e s ss h a r eo fb a n d w i d t ha n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fl i n k x i l m c c ps u i t st h e r e l i a b l em u l t i c a s ti nh i g hb d pn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa l ea sf o l l o w s ：e v c pa n de v c p ，se n h a n c e dv e r s i o na l e p r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o n v e r g e n c e t i m ea n df a i r n e s s e v c pa d o p t s t h ec o n v e r g e n c ec o n t r o l l e r e v c p se n h a n c e dv e r s i o na d o p t sb o t l lt h ec o n v e r g e n c e c o n t r o l l e ra n dt h em e t h o l do fd y n a m i c a lc o n g e s t i o nw i n d o wc o n t r 0 1 a d d i t i o n a l ，i n t h er e s e a r c ht o p i co fr e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lf o rh i g h - s p e e d n e t w o r k ，w ep r o p o s e dax c pf r a m e w o r kb a s e dr e l i a b l em u l t i c a s tc o n g e s t i o n c o n t r o lp r o t o c o l ( x r m c c p ) k e y w o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o l ；r e l i a b l em u l t i c a s t ；t c p ；v c p ；e v c p ；x c p ； x r m c c p ；t f r c 浙江大学博士学位论文图表目录 图表目录 图2 1 网络负载与吞吐量及响应时间的关系7 图2 2 链路带宽的提高不能解决拥塞问题9 图2 3 所有链路带宽都为1 g b p s 图2 4 t c p 拥塞控制的4 个阶段 图2 5 互联网上的拥塞控制 图3 1 单个瓶颈链路的拓扑图2 4 图3 2t c p 平均利用率随着瓶颈带宽的增加而减少2 4 图3 3t c p 平均利用率随着延时的增加而减少2 5 图3 4f a s tt c p 的拥塞控制结构图2 7 图3 5b i c 拥塞窗口增加过程2 9 图3 6c u b i c 的拥塞窗口增加过程3 0 图3 7 网络延时从1 6 m s 变化到1 6 2 m s 时两个流之间吞吐量之比3 7 图3 8 汇聚吞吐量与队列大小的关系3 8 图3 。9 第二传输流启动之后的收敛时间的评估3 9 图3 1 0 延时变化与两个流的吞吐量之比的关系4 0 图3 1 1 标准t c p 和其改进协议的公平性对比4 l 图3 1 2 瓶颈带宽的变化与v c p 和x c p 的性能4 2 图3 1 3r t t 变化时v c p 和x c p 的性能4 3 图3 1 4 长流数量变化与v c p 和x c p 的性能4 4 图4 1v c p 协议传输流的wv s 5 1 图4 2e v c p 协议的状态机5 3 图4 3 收敛控制器算法流程图5 4 图4 4 仿真实验拓扑图5 5 图4 5 e v c p 协议流的拥塞窗口随着时间的变化图5 6 图4 6 收敛时间随着流数量的变化图5 7 v 浙江大学博士学位论文 图表目录 图4 7 收敛时间随着瓶颈带宽的变化图 5 7 图4 8 ( a ) e v c p , ( b ) v c p ：瓶颈带宽4 5 m b p s ，流的收敛行为5 9 图4 。9 ( a ) e v c p , ( b ) v c v ：瓶颈带宽为1 2 0 m b p s 时流的收敛于公平的行为6 0 图4 1 0 ( a ) e v c p , ( b ) v c p ：瓶颈带宽为2 5 0 m b p s 5 个流和背景流共同分享带宽6 1 图4 1 1 ( a ) e v c p ( b ) v c p ：1 0 个流与背景流共同分享1 4 gb p s 的瓶颈链路6 2 图4 1 2 ( a ) e v c p , ( b ) v c p ：1 0 个流与背景流共同分享1 4 gb p s 的瓶颈链路6 3 图4 1 3m i 参数f 的曲线6 5 图4 1 4e v c p 协议传输流的拥塞窗口v s 时间。6 6 图4 1 5 收敛时间随着传输流数量的变化 图4 1 6 收敛时间随着瓶颈带宽的变化 6 7 6 7 图4 1 7e v c p 协议和v c p 协议的公平性。6 9 图6 1t c p 与t f r c 公平性模拟图9 7 图6 2 t f r c 的公平性与流数量的关系 9 8 图6 3 流数目与丢包率的关系9 8 图6 4 流数量与丢包事件频率的关系 9 9 图6 5 r e d 丢包概率计算曲线( n og e n t l e ) 1 0 0 图6 6r e d 丢包概率计算曲线( g e n t l eo n ) 1 0 0 图6 7r e d 环境下t f r c t c p 公平性1 0 2 图6 8r e d 环境下的公平指数。1 0 2 图6 9g e n t l e 为o f f 时的丢包率1 0 2 图6 1 0g e n t l e 为o n 时的丢包率1 0 3 图6 1 1t f r c 与t c p 丢包率的差值1 0 3 图6 1 2r e d 环境下t c p 与t f r c 的吞吐量1 0 5 图6 1 3 x i t m c c p 模拟仿真拓扑图1 0 9 图6 1 4x r m c c p 协议的公平性指数与组播会话数量的关系1 1 0 图6 1 5 ( a ) x r m c c p x c p 公平性指数；( b ) 链路利用率与x r m c c p x c p 流数量 v l 浙江大学博士学位论文图表目录 图6 1 6 接收者代表的选择产生的组播会话吞吐量的变化1 1 1 表3 1 标准t c p 两个拥塞事件之间的r t t 个数2 2 表4 1 四位的二进制值、负载指数以及相应的拥塞控制算法的对应关系6 4 表5 1 组播路由协议比较7 3 表5 2 可靠组播的需求与可靠组播协议的相关性7 7 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 互联网源于美国国防部的a r p a n e t 计划。在上世纪6 0 年代中期，正是冷 战的高峰，美国国防部希望有一个命令和控制网络能够在核战争的条件下幸免 于难，而传统的电路交换的电话网络则显得太脆弱。国防部指定其下属的高级 研究计划局( a r p a ) 解决这个问题，此后诞生的一个新型网络便称为a r p a n e t 。 当a r p a n e t 与美国国家科学基金会( n s f ) 建成的n s f n e t 互联以后，其上 的用户数以指数增长，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络连接。到 了8 0 年代中期，人们开始把这些互联的网络称为互联网。随着互联网络的快速 发展，网络用户和网络应用大大增加，互联网络日益成为当今社会重要的基础 设施。互联网协议体系是基于使用i p 协议实现无连接的端到端的包交换服务。 越来越多的新应用的出现，似乎一切都可建立在i p 之上。同时，这也促进了互 联网络的发展。但这钟趋势的到来并非毫不费力。i n t e m e t 成功的一个关键因素 就是拥塞控制机制。 早在7 0 年代中期，a r p a 为了实现异种网之间的互联与互通，推出了t c p i p 体系结构和协议规范。时至今日，t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议。 它不是国际标准化组织制定的，却已成为网际互联事实上的标准，并由单纯的 t c p i p 协议发展成为一系列以i p 为基础的t c p i p 协议簇。t c p i p 协议簇为互 联网提供了基本的通信机制。随着互联网的指数增长，其体系结构也由a r p a n e t 基于集中控制模型的网络体系结构演变为由i s p 运营的分散的基于自治系统 ( a u t o n o m o u ss y s t e m s ，a s ) 模型的体系结构。互联网目前几乎覆盖了全球的 每一个角落，其飞速发展充分说明了t c p i p 协议取得了巨大的成功。 互联网采用的是无连接的端到端数据包交换，提供“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 服务模型的设计机制。这种机制的最大优势是设计简单，可扩展性强。互联网 在过去的十几年中经历了爆炸式的增长，这已经充分证明了这种设计机制的成 功。然而这种优势并不是没有代价的，随着互联网用户数量的膨胀，网络的拥 塞问题也越来越严重。例如由于队列溢出，互联网路由器会丢弃约1 0 的数据 包。据统计，互联网上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议，因此，互联网上主 浙江大学博士学位论文第一卓绪论 要的互连协议t c p i p 的拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n 缸 0 1 ) 机制对控制网络拥塞具有 特别重要的意义。拥塞控制是确保互联网鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的关键因素，也 是各种管理控制机制和应用( 如多媒体通信中q o s 控制、区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s e r v ) ) 的基础，因此关于互联网的拥塞控制问题一直是网络研究 的一个热点。 另外，随着互联网的高速增长，碑业务也得到了快速增长和多样化。i p 组 播应用得到较大的发展，特别是多媒体业务的兴起。目前，组播通常是在u d p 之上传输的，而u d p 缺乏流量控制和拥塞控制机制。这会导致网络资源的不合 理使用。在尽力而为的网络中，组播流会比响应流( 比如t c p 流) 得到更多带 宽，并引起拥塞崩溃，即在网络中发送的数据分组都会在末到达目的端时被丢 弃，导致带宽的浪费。组播的流量控制是使数据的发送速率与接收者的能力以 及去往接收者的路径的服务速率想匹配的技术。组播的拥塞控制是调节数据发 送率以响应网络条件并使多个会话共享拥塞链路的原理和机制。在单播环境下， 拥塞控制和流量控制的不同表现为拥塞控制是一个整体的问题，它要确保网络 能够承载加入的业务量，而流量控制的作用在于防止发送者的数据发送率超过 接收者所能处理的速率。在组播环境中，由于有若干组播接收者，因此流量控 制需要满足所有接收者的需求，而拥塞控制需要处理公平性的问题，包括组播 会话之间以及组播会话和其他业务流的公平问题。因此i p 组播的流量控制和拥 塞控制成为了另一个网络研究热点，它是i p 组播能否在i n t e r n e t 中大规模商用 化的关键。 1 2 研究的内容及成果 随着i n t e m e t 不断发展，它的传输拥塞控制机制必须保持有效性。技术的趋 势表明越来越多的高带宽链路将应用到互联网络中。另外具有高延时的卫星和 多跳的无线链路的增加。在单流的带宽与延时积增加的情况下，传统的t c p 响 应将面临着问题。该问题已经引起网络研究界的关注。这也是本文的研究内容。 单播和组播是最重要的两种传输方式。因此，本文从两个方面分别研究高 速网络环境下的拥塞控制问题：单播方式和组播方式。 高速网络单播拥塞控制协议的设计分类两类：修改t c p 协议、终端与路由 器联合的协议。针对高速网络的特点基于t c p 协议采用不同的机制进行改进而 来的新协议包括：h i g h s p e e dt c p 、s c a l a b l et c p 、f a s tt c p 、b i c 、c u b i c 和 2 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 h - t c p 。这些协议设计的主要目的是在高速网络下能快速的获得高的稳定的吞吐 量，从而提高高速网络链路的利用率。 本文首先通过实验分析得出，这些新的协议都存在着缺点。h i g h s p e e d t c p 无法满足公平性的要求，而且存在着r t t 不公平性。另外h i g h s p e e dt c p 还存 在着收敛速度慢的问题。s c a l a b l e - t c p 协议采用积性增加积性减少算法，它可 能无法收敛于公平的带宽分配。f a s tt c p 的公平性不稳定，而且其吞吐量与队 列缓冲区大小的配置有关。在大的队列缓冲区时，f a s tt c p 获得较高的吞吐量。 但是大的队列缓冲势必使得路由器的造价增加。b i c 和c u b i c 协议的慢的收敛速 度导致了协议的不公平性。h - t c p 由于使用了r t t 作为a i m d 的参数消除了r t t 不公平性，能保证其公平性，但是存在着其所获得的吞吐量与路由器队列缓冲 区大小相关联。h - t c p 协议只有在路由器提供大的队列缓冲区时才能获得较高的 吞吐量。导致h - t c p 出现该缺点的主要原因是将r t t 作为a i m d 的参数。终端与 路由器联合设计协议包括x c p 和v c p 。x c p 协议能实现m a x - m i n 类型的公平带宽 分配、高的链路利用率、小的队列长度和接近于0 的丢包。i e t f 的网络拥塞控 制小组都认为x c p 协议在关于高速网络拥塞控制方面的性能方面是一个“理想” 的协议。高性能网格项目o p t l p u t e r 计划包括了将其x l o 扩展支持x c p 协议。 但是x c p 存在着部署方面的问题。v c p 在不需要拥塞控制头的支持下，借助于 e c n 的两位能取得与x c p 相似的性能。 本文通过仿真实现表明v c p 协议在高的链路利用率，小的队列长度和丢包 率方面的性能接近于x c p 。但是仿真分析表明v c p 存在着收敛速度慢的问题和公 平性问题。 为了解决v c p 的收敛速度慢和公平性的问题，本文在v c p 协议的基础上， 提出一个扩展的可变结构拥塞控制协议( e v c p ) 。e v c p 协议采用了收敛控制器算 法来加速收敛于公平带宽分配。本文进行了数学分析收敛控制器能提高收敛性 能的原因，而后本文通过仿真来显示e v c p 的收敛性能。本文又提出了改进的e v c p 协议。改进的e v c p 协议复用i p v 6 报文头中的4 个二进制位来传送拥塞信息， 从而提高了拥塞反馈信息的粒度。基于实时的拥塞反馈信息，改进的e v c p 协议 能动态的控制拥塞窗口。改进的e v c p 协议提高了拥塞跃迁点，减少了a i 阶段 的负载指数区间，同时又确保了协议的公平性。改进的e v c p 协议进一步提高了 协议的收敛性能。实验结果表明改进的e v c p 协议不仅保持了v c p 协议的优点( 高 的链路利用率、低的持久队列长度和小的丢包率) ，同时提高了协议的收敛性能 和公平性。 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 组播的研究包括：组播路由协议、组播成员管理、组播树管理等等解决组 播的运行机制问题。网络中的组播流需要与网络中的其他流如t c p 流公平的分 享网络带宽资源，在传输的路径上存在着瓶颈链路，出现网络拥塞时，组播流 需要对拥塞进行响应，尤其是可靠组播。拥塞控制是可靠组播和错误控制的一 个关键的任务。没有正确的拥塞控制机制，组播协议导致组播流与其他流之间 网络带宽资源的分配不公，特别是与t c p ，最终会拥塞崩溃。不象单播通讯， 组播的拥塞控制比较困难与复杂，因为在一个组播的通讯会话中涉及到多个接 收者，还要处理不同接收者网络条件的异构。 可靠组播拥塞控制方法根据源端的发送速率可以分为两类单一速率与多速 率。与单一速率组播拥塞控制相比，一般多速率组播拥塞能给予接收者更自由 的选择相适应的接收速率。组播树的链路存在很大的异够的网络环境下，多速 率组播具有优点，但是多速率组播拥塞控制较单一速率组播拥塞控制，在实现 上更为复杂。根据源端的个数可以分为o n e t o m a n y 和m a n y - t o - m a n y 的组播。 互联网的发展，多用户协同应用和多进程交互应用如：基于网络的虚拟现实、 网络游戏、合作网页缓存应用，成为人们关注的一个热点。在这些应用中任何 一个成员既是一个发送者也是一个接收者。对组播成员有意义或者有用的包被 发送给相应的组播成员。这与o n e t o m a n y 的应用是不同的。本文研究的关注点 是o n e - t o m a n y 模式的单速率可靠组播的拥塞控制。 随着高速的网络链路部署到互联网的趋势越来越明显以及象高性能网格等 应用对实现高速的可靠组播的需求的增强，在高速网络环境下可靠组播拥塞控 制技术又面l 晦着新的问题。可靠组播为了实现与t c p 的友好性，当前的可靠组 播协议大多采用t c p 的模型进为依据或者模仿t c p 的行为调整组播的吞吐量， 但是t c p 协议在高速网络环境下存在着缺陷。这样会导致可靠组播会话流在高 速网络环境下不能获得高的吞吐量，从而也导致高速网络链路利用率的低下； 另外，采用t c p 模型作为速率调节依据的协议比如t f r c 不能保证公平性。 本文首先仿真分析了t c p 与t f r c 的公平性。仿真分析表明在低速网络环境 中，随着流数量的增加，无论是路由器采用d r o p t a i l 或者r e d 队列管理策略， t c p 与t f r c 的公平性下降；在队列策略采用r e d 队列时，如果r e d 能配置适当 的参数时，t c p 与t f r c 的公平性有所提高，但是网络情况是复杂的，随着网络 状况的变化，合理的自适应的配置参数一直是个没有解决的问题。在高速网络 环境中，t c p 与t f r c 的公平性较差，同时使得网络瓶颈链路的利用率低下。为 了适应网络的发展，尤其是大带宽的链路的部署，同时可靠组播的应用发展， 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 可靠组播拥塞控制协议既要保持公平性的同时也要为提升链路的利用率做出贡 献。 本文提出了基于x c p 框架的可靠组播拥塞控制协议x r m c c p 。x r m c c p 扩展x c p 协议框架来支持o n e - t o m a n y 的可靠组播拥塞控制。x r m c c p 是一个基于窗口单 速率的可靠组播传输拥塞控制协议。仿真实验表明x r m c c p 与x c p 协议保持着很 好的公平性和x r m c c p 会话之间的公平性。另外，x r m c c p 能在很短的时间内收敛 于公平的带宽分配，并且使得瓶颈链路的利用率有很大的提高。x p 瑚c c p 能适合 于大b d p 网络环境下的可靠组播服务。 1 3 本论文的组织 本论文的研究内容分为两个部分：高速网络单播拥塞控制、高速网络可靠组 播拥塞控制。第二章为口网络的拥塞控制研究的综述，介绍了拥塞产生的原因、 基于源端的拥塞控制机制和路由器的拥塞控制机制。 第三章阐述了在高速网络环境( 高b d p 环境) 下，传输拥塞控制协议面临 的问题，介绍了高速网络拥塞控制协议的分类以及相关的新协议，并对高速网 络拥塞控制协议进行了仿真分析，讨论了它们的优缺点。 在第四章，为了解决v c p 协议的收敛速度慢和公平性问题，本文提出了快 速收敛的可变结构拥塞控制协议。 第五章和第六章属于本论文第二部分。第五章为可靠组播拥塞控制协议研 究现状。第六章提出了基于x c p 框架的可靠组播拥塞控制协议。 第七章为本论文的结论和研究展望。 浙江大学博士学位论文 第二章i p 网络的拥塞控制研究综述 第二章沪网络的拥塞控制研究综述 2 1 网络拥塞的基本概念及互联网模型 当网络中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。 在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) l l 】现象。一般来说，拥塞崩溃发生在网络负载的增加导致网络效率的 降低的时候。最初观察到这种现象是在1 9 8 6 年1 0 月，在这个过程中，l b l 与 u cb e r k e l e y 之间的吞吐量从3 2 k b p s 下降到了4 0 b p s 。f l o y d 总结出拥塞崩溃主 要包括以下几种：传统的崩溃、未传送数据包导致的崩溃、由于数据包分段造 成的崩溃、日益增长的控制信息流造成的崩溃等。 同络负载网络负载 图2 1 网络负载与吞吐量及响应时间的关系 对于拥塞现象，我们可以进一步用图2 。l 来描述。当网络负载较小时，吞吐 量基本上随着负载的增长而增长，呈线性关系，响应时间增长缓慢。当负载达 到网络容量时，吞吐量呈现出缓慢增长，而响应时间急剧增加，这一点称为k n e e 。 如果负载继续增加，路由器开始丢包，当负载超过一定量时，吞吐量开始急剧 下降，这一点称为c l i 拜2 1 。拥塞控制机制实际上包含拥塞避免( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 和拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 两种策略。前者的目的是使网络运 行在k n e e 附近，避免拥塞的发生；而后者则是使得网络运行在c l i f f 的左侧区域。 前者是一种“预防”措施，维持网络的高吞吐量、低延迟状态，避免进入拥塞； 后者是一种“恢复”措施，使网络从拥塞中恢复过来，进入正常的运行状态。 吞叶矗 浙江大学博士学位论文第二章i p 网络的拥塞控制研究综述 拥塞现象的发生和前面提到的互联网的设计机制有着密切关系，我们对这 种设计机制作一个简单的归纳： 数据包交换( p a c k e ts w i t c h e d ) 网络：与电路交换( c i r c u i ts w i t c h e d ) 网络相 比，由于包交换网络对资源的利用是基于统计复用( s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n g ) 的，因此提高了资源的利用效率。但在基于统计复用的情况下，很难保证用 户的服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) ，并且很容易出现数据包“乱序”的 现象，对乱序数据包的处理会大大增加拥塞控制的复杂性。 无连接( e o n n e e t i o n l e s s ) 网络：互联网的节点之间在发送数据之前不需要建 立连接，从而简化了网络的设计，网络的中间节点上无需保留和连接有关的 状态信息。但无连接模型很难引入接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，在用户需 求大于网络资源时难以保证服务质量；此外，由于对数据发送源的追踪能力 很差，给网络安全带来了隐患；无连接也是网络中出现乱序数据包的主要原 因。 “尽力而为”的服务模型：不对网络中传输的数据提供服务质量保证。在这 种服务模型下，所有的业务流被“一视同仁”地公平地竞争网络资源，路由 器对所有的数据包都采用先来先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的工 作方式，它尽最大努力将数据包包送达目的地。但对数据包传递的可靠性、 延迟等不能提供任何保证。这很适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。但随着互 联网的飞速发展，i p 业务也得到了快速增长和多样化。特别是随着多媒体业 务的兴起，计算机已经不是单纯的处理数据的工具。这对互联网也就相应地 提出了更高的要求。对那些有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的应用来说， 现有的“尽力而为”服务显然是不够的。 2 2 拥塞产生的原因 拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这 些资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力。由于互联网的设 计机制导致其缺乏“接纳控制”能