（计算机应用技术专业论文）网络多播拥塞控制技术研究(3).pdf

硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 a b s t r a c t wit hth er api dd e v e l o p m e nt o fi nt e rn e ti nth ew o r ld ，n e t w o rk app l i c at i o n ， e s p e c i a l l y th e a p p 1 i c at i o n o f m u 1 t i m e d i a v i d e o c o n fere n c e and d i s t anc e l e ami n g ， ut i l i z in g mu l t i c a s t c an s ave a l ar g e amo u n t o f b and 诚di hw h 1 l e tr ans m i tt in g th e m u l t i m e d i a d at a m o r e . h o w e v e r，itwil l c aus em o r eandm o r es e r i o u sc o n g e s t i o np r o b l e m. mul t i c a st c o n g e s t i o nc o ntro l i s n e c e s s ar yi navo i d i n gc o n g e s t i o nc o l 1 aps i n gande n s 而n gfair c o m p e t i t i o ni nb and w l d t h诚t hu n i c a s t . a n di t i s a s s ur e th atth ec o ntro l o f i m p o rt e d c o mm u n i c at i o nfl o w c an a c hi e v eth eb al anc i n gs i tu at i o nb e t w e e navo i d i n gl o s so f p a c k e t s and h i g h thro u g hputo f n e two rk. b utw e n e e d t o c o n s i d e r th e c o n g e s t i o n s h a k 1 n g ， s t abi l i ty o fs y s t e m ， o f t h en o d a l o c c upanc yv o l um eo f b u ffero f th en e t w 0 rk w h 1 l e c o ntro l l in g . wh i l e t h e s t abi l i tyo f s y st e m ， i t c an p r e v e ntth e 1 o sto f d at a p a c k e t s c aus e d b y s h aki n g ， and c anr a i s e th e thro u g h p uto f th e n e two rks y s t e mb y ut i 1 i z i n g r api d l y w h e n the n e t wo r ku s ab1 e b a n d w1 d t hi n c r e a s e s . b e c ans e o f it s e n o rmo u s c o m p 1 e x i ty，th e r e s e ar c h o f c o n g e s t i o n c o ntro l c an，t al re a d y s at i s fyth efo rmals ubj e c t i v eana l y s i s m et h o d . i nabr o a d ， th er e s e ar c hi nc o n g e s t i o n c o ntro l h a s b a s i c a l l yturn e dt os tr i c t m a t h e m at i c s d ynarni c sana l y s i s ， c o ni r o l l i n gand o p t im i z i n gt h e o ryana l y z e e x i s t e dc o n g e s t e ds t e a d ys t at eandd y n a m 1 c p e 而rmanc ei n o r d e r t o d e s i gn a n e wo n e c o n g e s t i o n c o nt r o l a l g o r 1 t 知 mwithth e a i d o f n o n l i n e ark i n e t i c s m e th o d . w 七 h ave p u t fo rwar d th e n e wd e s i g n m e t h o d s w h i c h s e nith e s i n g 1 e s p e e d d r i v e n i n e n dand s o wn m o r e o f the c o n g e s t i o nc o ntro l ， and u s e the m o d e mc o ni r o l t h e o rya n d m e th o d : s c h u r 一 c o hn c r i t e r i o n and rou t h 一 h u r w i t z s t abi l i tyj u d g e m e ntm e t h o d ， t o d i s c u s s h o wut i l i z e s in g l e 一 r at e 一 b a s e d thatmu l t i c a s t c o n g e s t i o n c o ntro l m e t h o d t o s o wmo r e l e tt e r s o u r c e e n d s e n d i n g s p e e d r e g u l at e nod al ， and t o m ake l e tt e r s o u r c e e n ds e n d in gs p e e d p r o n e t o th e ar e a t o b es t e ady，andt ob r anc hn o d e b u 月 七 r i n go c c upanc yv o l u m e t e n d t o w ar d s s t abi lityn o d al . r e s u lt s s h o wth atth e s ec o n g e s t i o nc o ntro l d e s i g n s m aketh efu n c t i o no f i nt e me t p r o n e t o b e s t e a d y and b e i n a g o o d st at e . k e ywo r d s : mu l t i c a s t、 c o n g e s t i o n c o ntro l 、 s t abi l ity 、 b u ffer o c c upanc y 、 s o urc en o d e s i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历 而使用 过的 材料。 与我一同 工作的同 事对本学位论文 做出的 贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送 交 并 授权其保存、 借阅 或上网 公 布 本学位论文的 全部或部分内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 l 综述 1 . 1 论文的背景和意义 计算机网 络涉及到计算机技术和通讯技术两大领域， 自2 0 世纪60年代末期美国 军方建立起a r 巴 必 正 t网， 基于此的加 记 m et网 络快速发展， 其应用逐渐扩大到世界 范围的 各行各业。 在近十年里， 加 加 口 改得到了 迅猛地发展， 在商业上取得了巨 大成 功。 b 如卫 d逐步由 过去单纯的 数据载体，发展为支持数据、语音、 视频等多种信息 的多 媒体信息和通讯平台。 当前， 玩 t e m et上大多数数据流使用的 是t c p/ ip协议， 而 t c p 协议的一个关键技术就是 拥塞控制( 伪n g e st i onco n 妞 . 1 ) 。 拥塞控制是确保玩 t 。 旧 d 鲁棒性的关键因素。 伴随着计算 机网 络爆炸式地增长，日 益严重的是网络拥塞问 题。 因此， 近年来该问题一直是网络研究的 一个热点. 目 前使用传统的尽力而为 ( b e s l - e 月 七 rt )服务模型，所有的分组受到同等对待， 网络尽力发送每个进入网络的分组， 不保证服务质量( 吞吐量、 端到端延迟、 丢失率) 。 由于玩 t e 切 et没有提供接入控制 ( a 由 山 s s i o ncon o . 1 ) ， 用户获得服务质量不仅取决于 网 络自 身， 也取决于其他用户在网 络中 产生的负载， 这使得整个网 络完全缺少隔离和 保护， 基于此模型的玩 1 。 功 e t 已 经不能满足多媒体应用和各种用户对网络传输质量地 要求。 提高网络资源利用率、降低网络拥塞产生、 保证强壮的拥塞控制机制就是目 前将 要 研 究的 一 大 课 题。 由 于 拥 塞 拉制 算 法的 分布 性、 互 联网 的 复 杂 性 和 对 拥塞 控 制 算 法 的性能要求使得拥塞控制算法的设计具有很高的难度。 虽然学术界在拥塞控制领域已 经开展了大量的研究工作，但是到目 前为止拥塞控制还没有的到很好的解决。 1 . 2 论文研究方向的现状 随着计算机网络技术的不断发展， 越来越多的网 络应用需要使用多播( m u l t i c 翻 蛇 ) 的 支持， 以便节约网络带宽， 提高应用的可扩展性。 多 播的引入虽然节约了网络资源， 减少了网 络管理费 用 ， 但是同时 给因特网 带来了 许多 潜在的问 题， 例如: 多播安全 问 题、 拥塞控制问 题、 多 播路由问 题和错误恢复问 题等等。 其中多播 拥塞控制问 题是 所有问 题中 非常重要并且还难以 解决的问 题，因此获得了多方面的 关注。 目 前来看近几年中， 人们对于多播拥塞控制方面的 研究， 主要侧重于以 下几个方 面: 1)分 层 多 播 拥 塞 控 制 算法. 例 如: 11 中 在a 功 id的 算 法 基 础 上引 入 分 层多 播 机 制， 提出了一种基于rtp 爪丁 c 户协议的 分层多播拥塞控制算法， 从而扩展了aim o 的 应 用; 冈 研 究了 在 主 动网 络中 的 分 层多 播的 方 法， 提出 了 根 据 主 动 包 进 行 粗 粒 度的 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 层加入和根据统计网 络拥塞标志信息进行细粒度的离开的 拥塞处理的多 播实现策略. 仿真结果表明， 该策略能 对网络环境的变化进行多点传输的 分层的做出 动态适应性调 节，同时 在网络中实现了 与丁 c p的友好。 该算法可以 满足多媒体多播在网 络异构情 况下的拥塞处理;川提出了一种逐跳 tcp友好的主动分层多播拥塞控制方案 (ht l m a ) ， 采用 主动标记分 层、 逐跳探 测下 c p 友好可 用带宽， 以 及主 动速率控制机 制. 仿真实验表明，h t l m a方案大大改进了 分层多 播拥塞控制的性能， 具有较快的 拥 塞响 应速率、 较好的 稳定 性 和tcp 友好 特: 14提出了 一 种基于 适应性效 用分 层策 略的主动分层多播拥塞控制方案 0 1沪 峨 l m。该方案采用了 主动标记分层、适应性效 用分层策略、逐跳反馈归并以及主动速率控制算法。 仿真结果表明，0 1.户 八 l m方案 具有较高的分层多播系统效用、较快的 拥塞响应速率、较好的稳定性和下 c p友好特 性， 大大改 进了 分层多播拥塞控制的性能 等等。 2) 针对多 媒体 流的 分 层多 播 拥塞 控 制. 例 如: 阎 针 对当 前 多 媒 体 流 分 层多 播 拥 塞控制方案的不足， 提出 一种改进的 接收者驱动的 分层多播拥塞控制算法， 并给出了 详细的 设计方案。 算法借助aim o 算法具有的良 好t c p 兼容性保证多 播流与丁 c 户 流 的友好性; 利用基于历史记录动态调整接收端加入某层等待时间的策略解决因过多失 败的“ 加 入” 尝 试带 来的 网 络 拥塞 和 振 荡问 题。 通 过 实 验 证 实了 算法 的 有 效 性; 阁针 对现有分层多播拥塞控制方案存在较大的拥塞响应延时， 吞吐率抖动剧烈， 和不满足 t c p友好的问题，给出了 一个主动分层多播服务模型， 通过引入主动标记分层、可 用带宽主动测量以 及优先级分层过滤机制， 提出了 一种新的面向多媒体流的自 适应主 动分层多播拥塞控制方案a a l m 。 仿真结果表明， 该方案能够有效地改进分层多播拥 塞控 制的 性能， 具有较快的 拥塞响 应 速率、 较 好的 稳定 性 和tcp 友 好 特性; 切提出 一种在因特网上可扩展迭代多播拥塞控制结构的多媒体流. 这种结构寻求扩展多播可 测量性在早先的 t c p友好单播拥塞控制结构流 t f r c使用多重时间量程为多媒体 qos 传输预测。 此外有效的qos 传输支持基于以 前的 工作， 迭代t 下 州 卫 c实现多 播 可测量性设计一段时间 速率控制， 反馈压缩和数据分别传输通过完整考虑到迭代网 络 的 特点; isj 中 提出了 一种针对多媒体的基于接收端无线分层多播拥塞控制协议， 被称 为 r w l m。 这种拥塞探测机制， 接收端规定 机制和拥塞控制算法被详细的 描述。实 验结 果表明: r w 工 m不仅仅能获得极好的t c p 友好性能 通过无限 通道只有低位的 错 误比 率， 而且通过无线通道时能保持稳定的接收速率和高位错误比 率等等。 3) 基于 速率的多 播 拥塞控制. 例如: 网 提出 基于发送端多 播 拥塞控 制其目 的 是 可靠的批量数据传输。 本文假定在任意时刻大范围比 例的多播组有一定量的 瓶颈链 接， 并且瓶颈持续足够长的时间 可以 被鉴别和适应。 本文的 工作集中 于在多播树动态 的区 别最 拥塞的路径和在所选择的路径中获得t c p 友好吞吐量. 使用n sz做仿真实 验 验 证 和 评 价 所 提出 的 带 丢 弃 尾 包 和r e d网 关的 拥 塞 控 制 算 法; 【10提出 了 一 种 适于 硕士论文 网络多播拥塞控制技术研究 流媒体业务的tcp 公平的 单速率多播 拥塞控制协议 一 一接收端驱动的二项式多播拥 塞控制算法。 该算法在各接收端独立维护拥塞窗口， 采用二项式算法调整 拥塞窗口， 根据当 前拥塞窗口 值计算出期望接收 速率，采用基于代表的 策略实现反馈和反馈抑 制。 算法很好改善了 丢失路径多样性问 题， 增强了 可扩展性. 仿真表明 协议具有良 好 的t c p 公 平 性、 速 率 平滑性、 可扩 展性 和较好的响 应性; 111 】 在分析多 播 拥塞控制的 相关的算法及典型的机制的 基础上， 给出了 一种新的 基于多逻辑树的m t c p协议的 改 进方法. 经改 进后的m 丁 c p协议， 按接收者的延迟带宽的乘积的 大小分类， 将只 适合于单速率的 多播拥塞控制改为多速率的多播拥塞控制。 仿真实验表明， 该方法充 分利用了 各节点的网 络资源， 解决了 多 播网 络的异构性问 题， 具有良 好的公平性及很 高 的 带 宽 利 用 率 ; 1 叨多 速 率 多 播 拥 塞 控 制 ( 侧 吸 . m c c ) 设 计已 经 被 认 为 作 为 一 个 合 适多点传输的结构， 针对一个接收端非常大部分异类组. 在这个设计中， 提议了一个 州 服 . m c c 新的设计使用明 确速率调节基于t c p 吞吐量平衡和信息包修补探测器。 该 设计目 标: 可测量性、 响应、 快速集中、公平性 ( 包括交互协议公平性、内部协议公 平性、内 部会议公 平性和t c p 友好) 和可行性。 在网 络仿真上 ( 留 2 ) 实现了 设计并 且测试以 保证性能 评估。结果显示本文的协议其设计目 标能保持良 好的 特性; 。 习 r b m c c多播拥塞控制机制被提出。它是基于速率和被发送端、接收端初始化的。 r b m c c使用三种因 素( 接收端的 损失 速率， 中间 节点的 合计命令正确应答和发送端 估计t c p友好速率) 提供及时代表拥塞正确响应。试验结果显示r b m c c是可升级 的 并 且t c p 友 好: 11 叼 详 细 地 介 绍了f l id. d l 、 t c p . 1 让 e m c c 、 e r a 、 s m c c 等 算 法 等等。 4 ) 基于源的 多 播 拥塞控制算法. 例如: 11 习 基于 源的 多 播拥 塞控制设 计的 关 键问 题是如何在源端从多样接收端中合计损失情况到单个速率控制结果。 源端接收的损失 说明这种集合限定筛选部分， 并且为速率调整使用余留. 在本文中， 第一次提出 一套 目 标定向损失情况筛选器的设计， 提出一种新颖的损失说明过滤通道， 线性成比例响 应( l p r ) 通道。 分析和仿真用来比 较两种众所周知的lpr和r l a( 随机监听算法) : 11 司提出 了一 种端到 端 单速率基于 源的 多 播 拥塞控制结 构( l e . s b c c ) 针对 多 播 传 输 协议的可靠或不可靠性。 单速率多播拥塞控制问题包括下降归零问题， t c p 友好问 题 和回程时间估算。 该结构设计由 一组层叠过滤器， 一个基于速率的加法递增乘法递减 帆卫 功 d ) 模块组成; 11 刀本 文提出 了 一种简单的， 普 通基于 源端的 端到 端多 播拥塞 控制 ( g s c ) 算法针对可靠的多播传输( r m t ) 协议. 这种算法可以 在源端完全实现 并且在r m t 协议中象p g m或r m t p 一样反向 控制信息流。 特别是，在r m t 协议 头不需要设置任意新的控制通讯量或者新的字段等等。 5) 基于 树 型 结 构的 多 播 拥 塞 控 制 算 法. 例 如: 【周包括t r a m拥塞 控 制 算 法 详 细的描述，一个基于 树的可靠多播协议。 这种算法利用正规的 命令应答通过接收端， 硕士论文 网络多播拥塞控制技术研究 经过修检树反向 传递到发送端。 这种可升级的反馈机制被用来选择接收端的信用值。 补充窗口 机制， 包传输伴随着窗口 大小平稳的使用相称的数据速率。 这种拥塞控制算 法的 性能在扩展的l a n和广域网中 被评估。 和其他t c p 通讯共享带宽的公平同 样被 评价; 11 91 提出 提出了 一 种有效 地 拥塞控 制机制1 卫 mc c ， 基于 树的 多到多 可靠多播 协 议。 这种结构通过n sz的仿真， 其结果表明该算法胜过t 民 气 m c c ， 对于内部时间的 公 平 性 、 显 示响 应良 好的 水 平、 t c p 友 好 和可 测 量 性: 四 提出 了 一 种 有 效 地拥 塞 控 制机制m 下 rj m c c ，基于树的多到多可靠多播协议。 这种被提出的结构是基于拥塞窗 口 机制和被附 加使用的 速率控制器. 在接收端针对拥塞控制， 错误校正的反馈被使用 最好减少到最小。 a c k定时器和n a c k定时器被设置为动态网 络通讯改变的反映. 在提议的结构的 速率规则算法被设计为帮助流共享同一链接很快的 完成公平的共享; 阴研究 多 播 树稳 定 性 之 上的 拥 塞 冲 突， 在 积累 分 层多 播 系 统的 背 景 里。 刚 性 系 数被 定 义去评估和量化这个冲突。 获得刚性系数的普通式， 发展了 一个简单的 统计模式。 该 模式显示，偶校验在低链接记号概率的情况下，当在不同链接增加之间的依赖度时， 多播树将变得更加稳定。 尽作者所知， 伴随着分层多播拥塞控制的量化多播树稳定性 是第一次提出的 工作。 所使用的模型技术是普通的， 并且能被应用在不仅仅用来分析 分层多播系统树的稳定性， 而且设计针对分层多播和单速率多播拥塞控制的一般算法 等等。 6)基 于 友 好 评 估的 多 播 拥 塞 控 制 算 法. 例 如 四公 平性 对 于 当 前的 因 特网 传 输， 特别是tcp ， 针对新的协议为了 在因特网上安全地展开是很重要必要条件。 特别地应 用于多播协议能够小心翼翼地被部署。 本文中， 提出了一系列实验能够被作为评价多 播拥塞控制机制公平性的基准来使用当运转竞争t c p流。 仔细挑选实验某种路径到 目 标特殊地拥塞控制机制并且重新决定t c p和被提议的多播协议的不同。 这样能够 对被提议的 协议行为和评价该协议的公平性当 违背发生时 有更好的 理解。 为阐明 本文 的实验继续单 速率个案研究协议p g m c c ， 使用n sz仿真. 分析显示 协议的健壮性和 潜在问题并且指出可能的改进。诸如超时设定、 a c k响应和损失、 独立拥塞损失结 果等实验以 一些拥塞控制机制作为目 标。 另外， 评价多 播机制诸如多 样接收端的 影响， 群代 表选择， 和当 网 络支持时的 抑制反 馈; 123 目 的 是在 服务 器 独立 地 应用结 构实 现 内部时段公平性，网络中未授权的服务器拥塞控制向下链路并且提供网络支持等等。 7 ) 基于户 t m的多播拥塞控制算法. 例如:网 提出了 一个新的冉 t m多 播协议 设计关于动态编码注入机制， 针对专用化服务器。 使用这种机制执行一个有效 地多分 层 编 码 视 频多 播 流 的 拥塞 控 制. 阅 提出了 一 种设 计 和 基 于 可 编 程的a r m多 播 服 务 器执行以 及动态网络的 概念。 其目 标从事设计和执行建立新网 络服务器问 题一多播既 然 这 样一 通 过 一 组 基 于c o r b a的 网 络 界 面， 和 基于j ava 的 使 用 代 码 注 入 机 制 针 对 支 持专用化的网络服务器。 经证明该原型的可行性， 通过小波视频多播应用执行和有源 硕士论文 网络多播拥塞控制技术研究 滤波器移植到中 间节点一致针对支持异类接收端和拥塞控制机制的 执行。 该模型的 性 能 超出 了 一 个幻m实 验 台 的 标 准 和 评 估; 闹两 种v s 八 ，行为 拥 塞 控 制 机 制 针 对 多 播a b r 服务 器 在a 】 ，m网 络中 被 研 究: 前向 显 式 拥塞 通 告 ( fecn ) 和 后向 显式 拥塞 通告 ( b e c n ) 。 他们的 性能被分析与比 较。 更深入的 观察， v s ivd两种机制减轻从 下游节点返回的r m单元合并噪音和合并延迟问 题。 合并噪音和合并延迟的 缓和是当 前涉及到的主要 研究. 仿真结果也惯于支持分析和要求的 合理性; 网幻m会议通讯 管理规范规定方针支持a b r信元到多点链接。 针对单点到多点 链接，多播树的分枝 点复制单元移动从根到叶并且合并反 馈移动从叶到根。 反馈合并避免过多的 后向资源 管理信元和在叶到根方向从每个分枝后向资源管理接收信息的集合是必要的。 在合并 算法设计中有两个主要相互冲突的问 题: 合并延迟和合并噪音。 提出 一个有效地拥塞 控制算法针对于在a r m网络中的多播a b r服务器。被提议的设计到拥塞状态时能 达到快速瞬时反映。 研究被提议结构的性能并且将它与助比n s 1 9 94年提出的算法相 比较等等。 8) 基于a i 州 d的多播拥塞控 制算法。 可以 参见以 下文章. 例如: 阴 提出了 一 种端到端单速率基于源的多播拥塞控制结构( l e . s b c c ) 针对多播传输协议的可靠或 不可靠性。 单速率多播拥塞控制问 题包括下降归零问 题， t c p 友好问 题和回程时间估 算。 该结构设计由 一组层叠过滤器， 一个基于速率的加法递增乘法递减 ( a 】 md ) 模 块组 成。 网提出 了 一 种 基 于人 卫 讨 d 拥塞 控 制 算法 针 对于 分 层 多 播。 该 算 法 利 用a d 涯 d 算法， 提供了良好的t c p 兼容性和稳定性。 预防在t c p中等分发送速率的速率振荡。 算法适应慢增长和低减少的原则。 提出了一种新型的针对多播接收端的自 由反馈方法 来评估它们到发送端的 往返时间， 能够消除反馈过程的复杂性和可测量性。 如同t c p 的慢启动模型适合促进带宽的利用和速率的收敛等等。 还有具体到其他方面的多播拥塞控制研究，这里不再一一列举。 1 . 3 论文的主要工作 本文根据控制和稳定性判断的 原则， 设计由 发送方驱动的 单速率多播拥塞控制方 案， 并利用c 料对所设计的 控制方案 进行模拟实验. 实验结果显示多播系统具 有较好 的 性能，多播源端节点的发送速率和终端节点的 缓冲占 有量可逐渐趋于稳定。 由于所提出的拥塞控制方案具有如下特点: ( 1) 多播源端的发送速率经过一段时间的调整，可以逐渐稳定; ( 2 )源端速率稳定后，按照相同的速率给各个接收方发送数据包，可 以保证多播内部的公平性; ( 3 )所有网络终端节点的缓冲占有量趋于稳定，没有出现动态抖动， 可以防止丢失数据包; . ，. 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 ( 4 )所提出的拥塞控制方案依赖于在确定范围内变化的参数，因而是 一类相当广泛的方案。并 对参数进行了 详细的仿 真实验， 来确定 参数的 选择. 因此， 对一组参数进行仿 真当5 = 。 . 1 ， a = 刁 .0 66 7 ; = 0. 0 1 25， a ， 刁 . 3 ; = 0. 8 75、 a 月; e =0 . 1 2 5 ， a 司; =0 .3 7 5 ， a 司. 6 6 6 6 6 7 ; e =0 . 0 625 ， a = . 01 6 666 7 分别在1 =0 ， 1 =l， 1 = 2 ，1 = 3 下乞 的 取 值 对 应 的 仿 真 结 果 对得到的 分支节点1 、 2 、 3 缓冲占 有量的瞬 态响 应和多播源端 节点速率的瞬 态响 应经过筛选后可以得到控制参数a、匀 的较好取值为:a=一 06 6 7， 卜-0. 9， 一 0. 8， -0.7 ， 一 0. 6， 一 0. 3 6 66， -0 .2 6 6 6， 一1 667， 刁.0 66刀。 1 . 4 论文的组织结构 本文具体内 容安 排如下: 第一章: 主要介绍近年来， 在拥塞控制多方面的 研究现状。 第二章: 主要介绍网 络模型 和拥塞控制的基本 概念、 特点和算法， 以 及多 播拥塞 控制的相关概念算法。 第三章: 详细讨论本文所设计的多播拥塞控制器的设计。 这一章从单点到多点的 多播系统模型入手，提出了 一类由 发送方驱动的 单速率的多播 拥塞控 制器的设计方 法， 并利用现代控制理论中的s c b u r- c o hn 判据和r 泊 钊 lh . h ur幼ts稳定性分析方法来进 行系统的稳定性分析。 第四 章: 利用c + 对所设计的 控制方案进行模拟实验。 通过对于控制参数的不 同 选择和网 络情况的 变化来进行实 验， 实验结果 显示如果控制参数 选择合适， 控制器 可以使得多播系统的速率逐渐稳定， 信宿端节点的缓冲占有量也能够趋于稳定。 最终 能够获得一组较好的参数使得多播系统处于理想的稳定状态。 第五章: 对文中的 单速率多播 拥塞控制器的 设计方 法进行 总结， 并 且对今后的 研 究工作进行展望。 1 . 5 本章小结 本章主要介绍本文的 研究背景及目 的， 回 顾了 当前的 研究状 况以 及现有的 主要研 究成果，最后给出了 本文的 组织结构。 硕士论文 网络多播拥塞控制技术研究 2. 互联网的网 络模型、结构及拥塞控制 2 . 1 互联网的网络模型 及结 构 拥塞控制算法只是现在互联网中 许多网络机制的 一种， 它并不能 独立发挥作用. 在设计和部署拥塞控制算法之前， 需 要首先确定全局的网 络结构， 分清拥塞控制算法 和网络其它机制的分工。 圈2，11 互联网的网络结构特点 在互联网中， 将网 络中存在的实体 分为 两种类型 ( 如图 2 . 1.1 所示) 。 一种是端 系统， 如主机; 另 外一种是网 络设备， 如 路由 器和交换机。 在互联网体 系结 构的设计 中 ， 最 重 要 的问 题 是 在 端 系 统 和 网 络 之 间 如 何 划 分 功 能 阅。 在“ 翻 d ， to 祀 d d . 召 从 m 曰 吐 ” 131 1 中提出， 一个功能应该 尽量 在网 络的 上 层实 现， 除非 在底层实现所获 得的 收益可以 超过 在增加底层复杂 性方面所付出的 开销。 根据这个设计原则， 在最 初的 互联网结构 中，网络只支持网络 层以下的功能，即提供 饮 滋 七 月 b d的单播报文传 输服务，而把 其它 功能 ( 如差错控制， 拥塞控制， 流量 控制) 都放在端系统中 来实现。 互联网的发 展得 益于“ 网络功能最小 化” 的 思想， 在 短短的 20 年时间内 互联网 从一个小规模的 研究 性网 络发展成为 遍布全球的 庞大商 业网 络; 同时， 网 络的发展 推动了 更多网络应 用的出 现，反过 来对网 络的 功能 提出 了新的 要求。 2 . 1 . 1 互联网的网 络模型 互联网 的网 络模型可以用以 下几点 来抽象: 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 ( 1) 报文交换 ( p ac k e t 叨功 t c b ed)网 络。 和电 路交换 ( c 扮 c 山 t . s wit c 玩 月 )相比， 报文交 换通过共享提高了资 源的 利用效率。 但在共享方式下， 如何保 证用户的服务质 量 是 一 个 很 棘 手 的 问 题: 在 报 文 交 换网 络 钟 可 能 出 现 报 文“ 乱 序 ” 现 象 阅， 对 乱 序 报 文的 处理增加了 端系统的 复杂性。 (2) 无 连 接 ( c 。 助 喊ioules 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。 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 “ 准入 控制” ( a dm issi onc o n tr o l) 算法， 在用户 需求 大于网 络资源时难以 保证服务 质量; 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 ) bes t . e 月 b rt的 服务模型。 加 成 七 月 乞 n即网络 不对数据传输的服 务质量提供保证. 这 个 选 择 和 早 期 网 络 中 的 应 用 有 关 1331. 传 统 的 网 络 应 用 主 要 是 门 ， 、 介 加 e t 、 s m t p 等， 它们对网 络性能( 带宽、 延迟、 丢失率等 ) 的 变化不敏感， 忱 就 嗯 月 b d模型可以 满 足需要。 但 是 be st-e ffort模型不能很好满 足新出 现的多媒体应 用的 要求， 这些应用 对延迟、 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 扭洲 2 . 1 . 2 基本的网 络结构 基本的网络结构 如图 2. 1 么1 所示。 在路由 器中没有使用任 何拥塞控制机制， 而 只使用一个 f 正 0队 列。 端系 统只有 在 f if o队 列溢出、 丢失 报文之后，才能检测 到拥塞的 发生， 这 种检测一般是 使用 “ 超时 重传” 的机制来实现的。 这种网 络框架的 优点是实现非常简 单， 但是在链路的吞吐量、队 列的 延迟和丢失等方 面都性能不好。 而且这样的 框架完全依赖端系统之间的协调来实 现传输的 公平性。 图2. 1 2 .l基本的网络 结构 为了提高传输的性能， 路由 器中可以 使用主动队列管理算法来管理队 列，如图 2. 1 . 2 2所示。主 动队列 管理算 法采集队列的动态信息和通过队列的 流量信息， 对报 文 进 行 有 选 择的 丢 弃 或 者 标记( 使 用 显 示 拥塞 通 知e c n i扔. 目 前 ， 比 较 常 用 的 方 法 是使 用主 动队列管理算法 计算一 个概率 值， 然后 按照这个值来丢弃或者 标记报文， 但 这并 不是 唯一的途径。 使用主动队 列管理算法的 主要目 的是提高传输 性能， 但是也可 一 吕 . 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 以 用它来实现公平 性方面的控制。 一闪卜 弃 9 丛 rothe 圈2.l 2 2在路由器中使用主动队列管理算法 2 . 1 . 3 支持区分服务的网 络结构 网络应用的 发展对网络提供的服务 提出了更高的 要求。 但是根据“ 网络功能最小 化” 的原则， 在网 络中 增加功能是很 谨慎的 ， 已 有的 两个主要 探索是 ip 多 播和 qos . 在 qos的研究中， 两个主 要的方向是“ 集成服务” ( l 血邵 磁 曰s ervices) 和 “ 区分 服 务 ” ( d i月 免 代 泊 t iat eds ervlces) 阅。 由 于“ 集 成 服 务” 在 实 现 和 部 署 上 的 开 销 比 较 大， 目 前比 较倾向于 使用 “ 区分服务” 模型。 “ 区分服务” 的 模型也有很多 种， 本文中 所 考 虑的是 在13 刀 中 提出 的成比 例的丢失 率区 分模型. 研究中 所考虑的网络 场景如图 2. 1 . 3. 1 所示。 在图 2. 1.1 的 基础上， 网络 被进一 步 划 分为“ 边 缘 网 络” ( edgen 创 ， 阳 rk ) 和“ 核 心 网 络 ” ( c oren e tw o rk ) 。 位 于 边 缘网 络的 “ 边缘路由 器” ( e d g e router ) 按照某种规则对来自 主机的 报文进行分类 标记; 而 在核心网 络的“ 核心路由器”( c ore rou t e r )中， 按照报文中 携带的标记对 它们进 . ， . 硕士论文 网络多播拥塞控制技术研究 行有区别的处 理。 在 成比 例的 丢失率区分模型下， 在核心路由 器中各 类报文的丢失 率 是成比 例的。 2 . 1 . 4部署公平队 列的网络结构 前面的两种网 络结构都依赖端系 统之间的 协调 来实现公平 方面的控制。 而在互联 网日 益庞大的 现实 下， 要求每 个用户都自 觉的 在端系统上使 用规定的机 制来传输数 据 是很困难的. 互联网 在带 宽资源使用上的开放性， 其可能的不良 后果不 仅仅是带宽的 不公平使 用， 还给一 些恶意破坏提 供了条 件， 对带宽的恶意占 用可能导致网 络的瘫 痪。 这就需 要在网 络中增加 机制来控制带宽资源的使用。 在 这 个网 络 结 构 中 ， 利 用了 已 有 的“ 公 平 队 列 ” ( f a 吐伽. 讹 加 9 ) ， 司 技 术. 基 于 “ 网 络层次化组织， 这个 假设， 将 “ 公平队列” 层次化的部 署在网 络中， 用于控制各 个子网 之间链路带宽的 分配， 如图 2. 1 . 4. 1所示。 在这 样的网 络结构 下， 不再要求端 系统的传输机制提供公平性的保证， 维护公平性的责任由部署在网关中的公平队列来 承担。但即使在这样的框架下，由于队列算法本身无法直接影响网络中流量的多少， 拥塞控制算法仍然是必须的。 在网关中还需要部署主动队列管理算法， 用于为端系统 提供 拥塞反馈信息。 而在端系统中， 也需要继续使用可以 根据网 络环境来动态 调整发 送速率的传输机制。 l 月 代 】 2 1 之 v 已 1 1 圈2.l 4.l部署公平队列的网络结构 2 . 2 互联网的拥塞控制 互联网 的拥塞控制目 前已 成为现代网络技术研究的的一大 焦点问 题。 解决或 者减 少网 络中 存在的拥塞， 提出 可行的 拥塞控制算法都是 研究的 主要问 题。 本文将 在下面 硕士论文网 络多播拥塞控制技术研究 简单介绍拥塞和多播拥塞的产生、发展、特点及拥塞控制算法。 2 . 2 . i t c p / i p 拥塞控制产生及发展 加 t e m e t 一开始的设计 风格就 是使网 络尽量简单而 将复杂性尽量推向 用户。为使 得网 络尽量简单， 网 络不对流的状 态进行记录和管 理， 这带来一 个缺点， 网 络无法 对 用户的发 送行为 进行约束。 当网络 没有一个机制隔离各个 流并 且用户又不自 觉地约束 自己 的发 送行为 时， 这个网 络的 稳定运行就面临危险， 实际 上， 这个现象在八 十年代 初就已 经出 现， 并被称为 “ 拥塞崩溃”i39)。 t c p 开 始的 定 义 包 括了 一 个 基 于 窗口 的 流 量 控 制 阅， 这 个 流 量 控 制 机 制 主 要目 的 是防 止发端发送的 数据把接受端淹没。1401报告了由 于网 络拥塞可能导致 分组丢失， 但它没有提出 根 据网 络拥塞的 情况调节 流量窗口 的大 小。 防止“ 拥塞崩溃” 现象的方 法由 v 由 ， 3 a 以 币 s on. 提出。19 86 年， m 劝j ac 0 b so n 提出了 拥塞避免算法， 现在使用的 tcp都 要 求 包 括 这 个算 法 141 11421。 这 些 算法 在 终端 主 机 实 现， 当 拥 塞 发 生时 它 将使 t c p的 发送速率降 低。 称 t c p流 对拥塞信号( 如分组丢失) 发生响 应。 正是这些 拥 塞避免算法使得 现在的 h 血m et 避免了 拥塞崩溃。 1 9 88 年以 后， 学术界在 玩 t e m e t 的 动 态行为 方面 作了 相当多的 研究. 如清华大学的 林闯 教授研究 1431中 研究了tcp 流量 控制、 端到端流量控制和中间节点增强机制等各研究子方向中需要解决的问题， 重点 分析了 主动队 列管理领域中已 有策略和算法的优点和 缺点， 提出 应用控制理论中 分析 和设计方 法研究网 络 拥塞 控制的思 路:以 及在 t c p拥塞控制所面临的问 题 ， 这包括 自 相似性问 题、 效率问题、 公 平性问 题、 算法改 进、 区 分服务和多点广播中 拥塞控制 和 tcp 胆 在特殊网络 帆t m 网 和卫星网) 上拥塞控 制等问 题网. 事实证明 尽管 tcp的拥塞避免 机制是 必不可少的 且也是很有效的， 但是 它不能 保证在所有的情况 下都能 够提供好的业 务质量 141 1 。 除了 研究新的拥塞控制机 制， 需要 研究如何通过路由 器的 机制作为端到端 拥塞控制机制的 补充。 由 t c p 月 r拥塞控制的发展可以看出 t c p 八 p对于维护网络稳定运行的必要性， f 1 0 y d在 4 习 对 这 一 点 作了 更为 详 细的 讨 论. tcp 能 够 对 网 络 的 稳 定 性 起 作 用 有 一 个 基本假设:它要求所有的用户都使用 t c p协议。但是 t c p是一个终端协议，是否 使用它要靠用户的自 觉性。由 于 玩 t e rd et的迅速发展， 使用 功 抚 功 以的用户数目 也 迅速增加，所有的用户都自觉地使用t c p这个假设受到越来越多的质疑。 2 . 2 . 2 拥塞产生的原因 拥塞是一种持续的网 络超负 荷状态。 当用户需求大于网 络供给时， 网 络就会发 生 拥塞。拥塞与b 巴 蛇 尸 e fl b rt服务模型有紧密的联系，在 加 t e met中，用户无法协作共享 硕士论文网络多播拥塞控制技术研究 资源， 多 个用户 可能 对同一网 络资 源提出 请求， 从而导 致拥塞。 表现为数据包延时增 加、 丢包率增大、 上层应用系统性能下降。 具体说 来导致拥塞 控制的因素有很多， 如 存储空间 不足带宽容量 有限、 处理器速度慢等。 拥塞 产生的 直接原因有以下 五点: ( 1) 存储空间不足 几个输入数据流共同需 要同 一个输出 端口 ， 在这个 端口 就会建立排队。 如果没有 足够的存储空间 存储， 数据包就 会丢弃， 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， 但是如 果路由 器有无限存储量时， 拥塞只会变得更坏。 因为数据 包在网 络里经过长时间 排队 完成转发时， 它们早已 超时。 新源端认为它们己 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 低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。 根据香农信息理论， 任何信道带宽 最大值即 为信道容量c =b1 哈 ( 1+5 闪 (n为信道白 噪声的平均功 率， 5 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 如果路由器的c pu 在执行排队缓存，更新路由表等功能时，