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陈俊钦基于区分服务的分层组播拥寒控制研究 摘要 随着网络多媒体技术的飞速发展，人们对网络性能、服务内容和安全性的期望 不断提高。但是“尽力而为”服务仍是目前i n t e m e t 中主要的一种服务类别，所有分 组在网络中被同等对待，缺少有效的管理，局部的拥塞经常发生，导致网络性能下 降、应用的分组丢失和数据抖动，不能保证服务质量( q o s ) 。随着分布式多媒体应 用需求的不断增长，以及i n t e m e t 上商业化应用的飞速发展，对网络性能和服务质 量提出了更高的要求。而拥塞控制是实现服务质量的基础，因此，提供有效的拥塞 控制手段是该领域的一个热点问题。 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。组播能够通过共享部分链路来提高带宽利用 率，非常适合高带宽需求的多媒体数据的传输。但是组播数据是以u d p 数据为主， 由于u d p 在传输过程中没有任何约束，所以很难做到“尽力而为”，而且还会影响 到t c p 流的传输。不断增加的u d p 数据流恶化了t c p 控制拥塞的能力，而且是引 起高丢包率的原因之一。分层组播可以将视频数据分割成多个层次同时发送到不同 的接收者，充分满足接收者的异构性，逐渐成为支持新应用的有效传输机制。因此 有必要对多媒体流进行拥塞控制，在保证一定o o s 的同时，保持对t c p 流的友好 性。 本文从组播与拥塞控制的基本概念出发，首先深入分析了一些具体的组播拥塞 控制协议，分析了它们的优缺点；其次讨论了组播拥塞控制的两个最重要的评价目 标t c p 友好性以及可扩展性，并且引入分层组播的概念，介绍了视频流分层编码技 术，最后指出了组播拥塞控制的发展趋势。 通过i e t f 提出的三种最重要的i pq o s 模型和机制，比较了d i f f s e r v 和i n t s e r v 的优缺点，详细阐述了d i f f s e r v 体系中各模块的功能及工作原理，分析了d i f f s e r v 与i p 组播结合的优势与问题以及已有的解决方案。 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。本文研究主要 内容及创新点如下： ( 1 ) 研究了t c p 拥塞控制及其发展、流媒体控制协议和网络拥塞控制模型。 ( 2 ) 研究了组播拥塞控制协议，分析了它们的优缺点以及评价组播拥塞控制的 两个最重要的目标：t c p 友好性以及可扩展性。结合分层组播技术，提出 了组播拥塞控制的发展趋势。 i i 扬州人学硕士学位论文 ( 3 ) 为了克服传统分层组播质量不稳定、控制复杂、组播树变动频繁等问题， 提出了一种基于区分服务的分层组播拥塞控制机制l a y e r e dm u l t i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o l ( l m c c ) 。它在考虑预约带宽公平性的前提下进行分组标 记和转发，适应了网络异构性。算法性能分析表明l m c c 机制具有较快的 拥塞响应速度、较好的稳定性、t c p 友好性和较低的丢包率。 关键词：分层组播；拥塞控制；t c p 友好；d i f t s e r v ；稳定性 陈俊钦基于区分服务的分层组播拥塞控制研究i i i a bs t r a c t 、聃t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r km u l t i m e d i at e c h n o l o g y , p e o p l ea r ee x p e c t i n g m o r ea n dm o r e c a p a b i l i t i e s s u c ha s p e r f o r m a n c e 。c o n t e n t a n d s a f e t y f r o m n e t w o r k h o w e v e r , t h em a i nk i n do fs e r v i c ei ss t i l l b e s te f f o r t i nt h ei n t e r n e t a l lp a c k e t s a r et r e a t e de q u a l l y t h e r el a c k so fe f f i c i e n tq u e u em a n a g e m e n t c o n g e s t i o nh a p p e n sh e r e a n dt h e r eb e t w e e nw h i l e s ，w h i c hc a u s e st h ed r o p p i n go fp a c k e t so rt h ej i t t e r i n e s so f t r a n s p o r t ，a n de v e np e r v a d e st oc o l l a p s et h en e t w o r k w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ti s e x p e c t e dt os u p p o r tt h eq o s c o n g e s t i o nc o n t r o l i st h eb a s eo fq o sc a l lg e i v eg o o d s u p p o r tt ot h eq o ss y s t e m t h e r e f o r e ，t op r o v i d ea l le f f e c t i v em e a n so fc o n g e s t i o n c o n t r o li sah o ti s s u ei nt h ef i e l d i n t e m e 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 k c 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 tv 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 n t h ec o m p l e xn e t w o r k m u l t i c a s et e c h n o l o g yi sav e r yu s e f u lo p e r a t i o nf o rs u p p o r t i n g s u c ha p p l i c a t i o n s ，w h i c hc a nu s e sb a n d w i d t he f f e c t i v e l yb ys h a r i n gt h el i n k s b u ta sw e k n o wm u l t i c a s tm o s t l yi su d p ，w h i c hh a sn or e s t r i c t i o nd u r i n gt h et r a n s m i s s i o ns oa st o i tc a n n o tl i v e u pt o “b e s t - e f f o r t ”，a n d t h a tu d pc a ni n f l u e n c et h et r a n s f e r so f t c e i n c r e a s i n gu d p d e t e r i o r a t e st h ea b i l i t yo ft c pt oc o n t r o lc o n g e s t i o na n di sas o u r c e o fh i g hd r o pr a t e s l a y e r e dm u l t i c a s tc a ng e n e r a t es e v e r a lm u l t i c a s eg r o u p sf o rl a y e r e d v i d e os o u r c es u c ht h a tt h er e c e i v e r sc a _ r lg e tv i d e od a t aw i t hd i f f e r e n t q u a l i t yb y s u b s c r i b i n gd i f f e r e n tf r o u p sa c c o d r d i n gt ot h e i rn e t w o r kc o n d i t i o n s s o ，l a y e r e cm u l t i c a s t i so n eo fu s e f u lm e c h a n i s mf o rt h e s en e wa p p l i c a t i o n s s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o p c o n g e s t 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 n q o sb u ta l s ob et c p f r i e n d l y t l l i sp a p e rb e g i n sw i t ht h eb a s i cc o n c e p to fm u l t i c a s ta n dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 f i r s t w ea n a l y s i ss o m eo ft h e s p e c i f i c 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 l sa n dt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；f o l l o w e db yad i s c u s s i o no fm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o l e v a l u a t i o no ft h et w om o s ti m p o r t a n to b j e c t i v e so ft c p - f r i e n d l ya n ds c a l a b i l i t y , a n d i n t r o d u c et h ec o n c e p to fl a y e r e dm u l t i c a s ta n dt h el a y e r e dc o d i n gv i d e os t r e a m i n g ，a tl a s t w ep o i n t e do u tt h et r e n d so fm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 i e t fp r o p o s e db yt h et h r e em o s ti m p o r t a n tm o d e l sa n dt h em e c h a n i s mo fl pq o s ， a n dc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f s e r va n di n t s e r v , t h ef u n c t i o no f e a c hm o d u l ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed i f f s e r vs y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l i t a n a l y z e dt h ea d v a n t a g e ，t h ep r o b l e m sa n dt h ee x i s t i n gs o l u t i o n sw h i l ec o m b i n i n gi p m u l t i c a s tw i t hd i f f s e r v i v扬州大学硕十学位论文 s y s t e m a t i cr e s e a r c h t 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 s p 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 ft h i sp a p e ri n c l u d eb u tn o t l i m i t e dt o ： ( 1 ) r e s e a r c h e dt h ed e v e l o p m e n to ft h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o l ，s t r e a m i n gm e d i a c o n t r o lp r o t o c o l sa n dn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lm o d e l ( 2 ) s t u d i e dt h 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 ，a n a l y s i so ft h e i ra d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa n de v a l u a t i o no f t h et w om o s ti m p o r t a n to b j e c t i v e s ：t c p f r i e n d l i n e s s a n ds c a l a b i l i t yo fm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 c o m b i n a t i o no fl a y e r e dm u l t i c a s t ，a n d p r o p o s e dm u l t i c a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lt r e n d s ( 3 ) t oc o n q u e rt h ep r o b l e m so fq u a l i t yi n s t a b i l i t y ，c o n t r o lc o m p l e x i t y ，a n df r e q u e n t c h a n g e so fm u l t i c a s tt r e ei nt r a d i t i o n a ll a y e r e dm u l t i c a s t ，al a y e r e dm u l t i c a s tc o n g e s t i o n c o n t r o im e c h a n i s mb a s e o l ld i f f s e r vc a l l e d 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 n c o n t r o l ( l m c c ) i sp r o p o s e d i tm a r k sa n df o r w a r d st h ep a c k e t so nt h ep r e m i s eo ft h e f a i r n e s sr e s e r v i n go fb a n d w i d t h ，s oi ta d a p t st h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kw e l l s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tl m c cc h a r a c t e r i z e s 谢t 1 1m o r er e s p o n s i v e ，m o r es t a b l e ，b e t t e r t c p f r i e n d l i n e s sa n d l o wl o s sr a t e k e yw o r d s ：l a y e r e dm u l t i c a s t ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；t c p f r i e n d l y ；d i f f s e r v ；s t a b i l i t y 陈俊钦基于区分服务的分层纽播拥寨控制研究7 1 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钵矾肜欠 签字日期： vl 辉y 月l 6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。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。 学位论文作者签名：- 姒 签字日期：、声l 声r 月i i ，日 导师签名畏泣砌 签字日期：沙id 年套月 g 日 陈俊钦基于区分服务的分层组播拥塞控制研究 1 1 研究背景 1 1 1 概述 第1 章绪论 i n t e m e t 是人类历史发展中的一个伟大的里程碑，它是未来信息高速公路的雏 形，通过它，人类正进入一个前所未有的信息化社会。人们用各种名称来称呼 i n t e m e t ，如国际因特网络、因特网，互联网、交互网络、网际网等等，它正在向全 世界各大洲延伸和扩散，不断增添吸收新的网络成员，已经成为世界上覆盖面最 广、规模最大、信息资源最丰富的计算机信息网络。 计算机网络近年来获得了飞速的发展，影响着人们生活的方方面面，俨然已经 成为我们社会结构的一个重要的组成部分。从简单的浏览网页获取资料，到电子银 行、电子商务、现代化的企业管理、信息服务业，再到网络音频视频广播、股市行 情发布、网络视频会议、远程会诊、在线信息恢复，多媒体远程教育、软件或代理 缓存更新等，对网络服务质量不断地提出更高的要求，对网络的有效载荷能力以及 网络的拓扑结构提出了强力的挑战。首要面对的问题就是当一个或多个网络连接失 效或者必须传输的分组数超过网络的负载能力时，或在一个甚至多个网络节点上存 在大量的分组堆积，如何合理有效地解决这些拥塞，防止网络性能降低，甚至网络 瘫痪。 1 1 2 网络拥塞研究 拥塞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等) 的需求超过了固有的容量。就i n t e m e t 的体系 结构而言，拥塞的发生是其固有的属性。因为在事先没有任何协商和请求许可 机制的资源共享网络中，几个i p 分组同时到达路由器，并期望经同一个输出 端口转发的可能性是存在的，显然，不是所有分组可以同时接受处理，必须有 一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。然而，如 果此状况具有一定的持续性，当缓存空间被耗尽时，路由器只有丢弃分组。在 这种持续过载的状态下，网络性能会急剧下降。 在计算机网络中的链路容量( 即带宽) 、交换节点中的缓存和处理机等， 2 扬州人学硕十学位论文 都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一的需求超过了该资源所能提供 的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞( c o n g e s t i o n ) 。可以 把出现网络拥塞的条件写成如下的关系式： 对资源的需求 可用资源( 1 1 ) 若网络中有去多资源同时呈现供应不足，网络的性能就要明显变坏，整个 网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。 i n t e r n e t 上最早的拥塞发生于1 9 8 6 年1 0 月，当时网络的吞吐率由3 2 k b p s 下降 到4 0 b p s l 2 2 1 。图1 1 描述了网络中吞吐量和负载的变化关系。当负载较小时，吞吐 量与负载之间呈线性关系；到达k n e e 点之后，随负载的增加，吞吐量的增量逐渐 变小；当负载越过c l i f f 点之后，吞吐量却急剧下降，通常将k n e e 点附近称为拥塞 避免区间；k n e e 和c 1 i 行之间是拥塞恢复区间；c l i f f 之外则是拥塞崩溃区间。为最 大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态时是较为理想的，但这也增加了滑向 拥塞崩溃的可能性，因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限制，这是研究拥 塞控制最本质的意义。 岙- f 激 图1 1 吞吐量和负载的关系简图 储况 有人可能会说：“只要任意增加一些资源，例如，把节点缓存的存储空间 扩大，或把链路更换为更高速的链路，或把节点处理机的运算速度提高，就可 以解决网络拥塞的问题。”其实不然，这是因为网络拥塞是一个非常复杂的问 题。简单的采用上述做法，在许多情况下，不但不能解决拥塞问题，而且还可 能使网络的性能更坏。 网络拥塞往往是由许多因素引起的。例如，当某个结点缓存的容量太小时， 到达该结点的分组因无存储空间暂存而不得不被丢弃。现在设想将该结点缓存 的容量扩展到非常大。于是凡到达该结点的分组均可在这缓存的队列中排队， 不受任何限制。由于输出链路的容量和处理机的速度并未提高，因此在这队列 中的绝大多数分组的排队等待时间将会很长很长，结果上层软件只好将它们进 陈俊钦基于区分服务的分层组播拥寒控制研究3 行重传( 因为早就超时了) 。由此可见，简单地扩大缓存的存储空间同样会造成 网络资源的严重浪费，因而解决不了网络拥塞的问题。 又如，处理机处理的速率太慢可能引起网络的拥塞。简单地将处理机的速 率提高，可能会使上述情况缓解一些，但往往又会将瓶颈转移到其他地方。问 题的实质往往是整个系统的各个部分不匹配。只有所有的部分都平衡了，问题 才会得到解决。拥塞常常使问题趋于恶化。如果一个路由器没有足够的缓存空 间，它就会丢弃一些新到的分组。但当分组被丢弃时，发送这一分组的相邻路 由器就会重传达一分组，甚至可能还要重传多次。发送端在末收到确认之前必 须保留所发分组的副本以便进行可能的重传。可见在接收端产生的拥塞反过来 会引起发送端缓存的拥塞。 网络产生拥塞的根本原因在于需求大于供给，也就端用户( 或叫端系统) 提供给 网络的负载( l o a d ) 大于网络资源容量的处理能力1 2 引( o v e r l o a d ) 。从局部看，拥塞产 生的直接原因有以下三点 2 4 - 2 7 j ： ( 1 ) 带宽容量不足：带宽容量不足。低速链路在高速数据流的输入时也会产生 拥塞。根据香农信息理论，信源发送的速率r 必须小于或等于信道容量c 。如果 r c ，则在理论上的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。当其不能满足通过它的所有源端带宽要求叫，网络就会发生拥塞。 ( 2 ) 处理器处理能力弱、速度慢等原因也可能引起拥塞。如果路由器的c p u 在 执行排队缓存，在更新路由表等功能时，处理速度跟小上高速链路，也会产生拥塞。 同样，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞。 ( 3 ) 路由器存储空间不足：几个输入数据流共同使用同一个输出端口，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，刘突发数据 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，拥塞只会变得更严重。因为网络里数据包在经过长时间排队完成转发时， 它们早已超时，源端会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。 从全局看，拥塞产生的直接原因有以下四点： ( 1 ) 尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务模型。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。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、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。但是b e s t e f f o r t 模型不能很好的满足新出现的对带宽、延迟、速率和性能 的变化比较敏感的应用，比如说多媒体视频点播等，这要求网络在原有的服务模型 的基础上进行扩充。 4 扬州大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于没有“准入控制”算法，i p 网络无法根据资源的情况，来限制用户的数 量。i n t e m 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。模型无 连接也是网络中乱序报文出现的一个主要原因。 ( 3 ) 缺乏中央控制，网络( i p 网络) 也无法控制用户使用资源的数量。 ( 4 ) 网络资源分布的不均衡性和流量分布的不均衡性，导致拥塞总是发生在资 源相对短缺的位置上。 1 2 拥塞控制原理 从原理上讲，寻找拥塞控制的方案无非是寻找使不等式( 1 1 ) 不再成立的条件。 这或者是增大网络的某些可用资源( 如业务繁忙时增加一些链路，增大链路的带宽， 或使额外的通信量从另外的通路分流) ，或减少一些用户对某些资源的需求( 如拒绝 接受新的建立连接的请求，或要求用户减轻其负荷，这属于降低服务质量) 。但正如 上面所讲过的，在采用某种措施时，还必须考虑到该措施所带来的其他影响。 实践证明，拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的( 而不是静态的) f - j 题。 当前网络正朗着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。 但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。在许多情况下，甚至正是拥塞控 制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。这点应特别引起重视。 由于计算机网络是一个很复杂的系统，因此可以从控制理论的角度来看拥塞控 制这个问题。这样，从大的方面看，可以分为开环控制和闭环控制两种方法。开环 控制方法就是在设计网络时事先特有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作 时不产生拥塞。但一旦整个系统远行起来，就不再中途进行改正了。 闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的有以下几种措施： ( 1 ) 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。 ( 2 ) 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。 ( 3 ) 调整网络系统的运行以解决出现的问题。 有很多的方法可用来监测网络的拥塞。主要的一些指标是：由于缺少缓存空间 而被丢弃的分组的百分数；平均队列长度；超时重传的分组数；平均分组时延；分 组时延的标准差等等。上述这些指标的上升都标志着拥塞的增长。 一般在监测到拥塞发生时，要将拥塞发生的信息传送到产生分组的源站。当然， 陈俊钦基于区分服务的分层组播拥塞控制研究 通知拥塞发生的分组同样会使网络更加拥塞。 另一种方法是在路由器转发的分组中保留一个比特或字段，用该比特或字段的 值表示网络没有拥塞或产生了拥塞。也可以由一些主机或路由器周期性地发出分 组，以询问搠塞是否发生。 此外，过于频繁地采取行动以缓和网络的拥塞会使系统产生不稳定的振荡。但 过于迟缓地采取行动又不具有任何实用价值。因此，要采用某种折中的方法。但选 择正确的时间常数是相当困难的。 进行拥塞控制需要付出代价。这首先需要获得网络内部流量分布的信息。在实 施拥塞控制时，还需要在结点之间交换信息和各种命令以便选择控制的策略和实施 控制。这样就产生了额外开销。拥塞控制有时需要将一些资源( 如缓存、带宽等) 分 配给个别用户( 或一些类别的用户) 单独使用，这样就使得网络资源不能更好地实现 共享。十分明显，在设计拥塞控制策略时，必须全面衡量得失。 在图1 2 中的横坐标是提供的负载( o f f e r e dl o a d ) ，代表单位时间内输入给网络的 分组数目。因此提供的负载也称为输入负载或网络负载。纵坐标是吞吐量 ( t h r o u g h p u t ) ，代表单位时间内从网络输出的分组数目。具有理想拥塞控制的网络， 在吞吐量饱和之前，网络吞吐量应等于提供的负载，故吞吐量曲线是4 5 0 的斜线。 但当提供的负载超过某一限度时，由于网络资源受限，吞吐量不再增长而保持为水 平线，即吞吐量达到饱和。这就表明提供的负载中有一部分损失掉了( 例如，输入到 网络的某些分组被某个结点丢弃了) 。虽然如此，在这种理想的拥塞控制作用下，网 络的吞吐量仍然维持在其所能达到的最大值。 1 3 拥塞控制分类 图1 2 拥塞控制所起的作用 毵羹 6 扬州大学硕 ：学位论文 1 3 1 端到端的拥塞控制 端到端的拥塞控制是从数据传输的角度出发，增强网络终端的流量控制功能， 从而控制网络中间结点的状态，提供给应用一个具有一定质量的连接。在早期的拥 塞控制模式中，路由器扮演着个相对被动的角色，它仅仅通过丢弃分组或显式拥 塞通告( 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 ，e c n ) 【l 捌来向源端指示拥塞的发生，源端 系统负责对这些拥塞信号产生响应。这种路由器被动而终端主机主动的端到端拥塞 控制机制遵守了两个主要原理： ( 1 ) 实现流控的自同步( s e l f - c l o c k i n g ) 的分组守恒定理，它基本确定了什么 时候必须改变窗口大小，什么时候应该传输分组。 ( 2 ) “和式增加积式减少”( a d d i t i v e i n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ，a i m d ) 的窗口管理策略【3 】。a i m d 依赖简洁的实现机制，在多个相互冲突的目标之间实现 了较为理想的平衡与协调，具体表现为存在拥塞时的有效性，高效的资源利用，稳 定性强，扩展性好，在多个用户间公平分享瓶颈资源。t c p 拥塞控制的最大特征就 是a i m d 机制。 由于网络上9 5 以上的数据流是t c p 流，因此t c p 拥塞控制机制是端到端的 流量控制的最主要的手段，早期的拥塞控制研究主要集中在t c p 的拥塞控制，近年 来各种非t c p 流的拥塞控制研究逐渐丰富。由于t c p 的拥塞控制对具有相似的r t t 时间、分组大小和拥塞程度的终端能做出大致相似的响应，因此能够确保大致相似 的用户分配到大致相等的带宽等网络资源，从这个角度看，t c p 具有公平性，这是 t c p 拥塞控制的本质，也是最重要的特性1 4 j 。 1 3 2t c p 基本拥塞控制 t c p 的拥塞控制是基于窗口的。流量控制由两个窗口来执行：发送端的拥塞窗 口( c w n d ) 和接收端的通告窗口( r c v w n d ) 。发送端一次发送一个窗口的数据， 禁止发送大于m i n r c v v w n d ，c w n d 的窗口大小的数据进入网络。最基本的t c p 的拥塞控制方案包括“慢启动”和“拥塞避免”两个阶段。图1 3 表示了t c p 的拥塞窗 口( c w n d ) 随时间的变化曲线。 图1 3 中，曲线i 、i i i 表示的是慢启动阶段，线段表示的是拥塞避免阶段， 线段i i ，v 表示等待超时。在慢启动阶段：起初，发送端发送一个t c p 报文段数据 ( 通常是5 1 2 字节) ，即c w n d = i t c p 报文段，以后当发送端每收到一个来自接收 端的确认( a c k ) ，就对c w n d 加1 。因一个周转时间r t t 定义为从发送一报文段 到收到该报文段的确认的时间间隔，故c w n d 在慢启动阶段每一个r t t 内加倍一 陈俊钦基于区分服务的分层纽播拥塞控制研究 7 次。当c w n d 增加到s s t h r e s h ( 通常设为6 4 k 字节) ，就进入拥塞避免阶段。 剪 l k j c w n d i c w n d 2 s s t h r e s hl w n d l t 2 s s t h r e s 3 1 2 = , c w n d 2 尼 町 i j 图1 3t c p 的拥塞窗d ( c w n d ) 随时间的变化 在拥塞避免阶段：发送端每收到一个确认，就对c w n d 加1 c w n d 。所以， 慢启动阶段和拥塞避免阶段c w n d 相应每个r t t ，分别是一个指数函数和一个线 性函数。 发送端对最近未确认的报文段维护着一个重传定时器( r e t r a n s m i s s i o nt i m e r ) 。 每确认了一个新报文段，重传定时器的重传超时值r t o ( r e t r a n s m i s s i o nt i m eo u t ) 重新设定。发送端通过重传定时器超时而检测到拥塞。此时，发送端将s s t h r e s h 置为当前c w n d 的一半，精确地说，s s t h r e s h - - m a x 2 ，m i n cw n d 2 ， r c v w n d 。然后将c w n d 降为1 。结果，c w n d s s t h r e s h ，发送端进入慢启 动阶段，重传丢失的报文段。此外发送端还要重传自报文段丢失到检测到丢失时发 送的所有报文段，即所谓的“g o b a c k - n ”，重传策略。 快速重传利用t c p 中这样一个规则：如果一个t c p 连接丢弃一个报文段，接 收端对收到的每个错序的报文段发送相应的重复确认，直到丢失的报文段收到为 止。如果t c p 发送端收到3 个重复的a c k ，则发送端立刻重发丢失的报文段，而 不是等到重传超时。 快速恢复的算法如下： ( 1 ) 当第三个重复a c k 到达时，设置s s t h r e s h = c w n d 2 ；重传丢失的报 文段：设置c w n d = s s t h r e s h + 3 。给s s t h i 也s h 加3 的理由是考虑了已经离开 网络并且接收端已经缓存起来的报文段的数量。 ( 2 ) 每次有一个更多的重复a c k 到达，把c w n d 加1 并在可能的情况下传 输一个报文段。这考虑了己经离开网络并触发了重复a c k 的又一个报文段。 ( 3 ) 当确认新数据的下一个a c k 到达时，设置c w n d = s s t h r e s h ，进入拥 塞避免。 8扬州人学硕士学位论文 1 3 3 流媒体的拥塞控制 i p 网络中一般的多媒体应用使用t c p 来传输控制信令，使用u d p 来传输流媒 体数据。t c p 是一种可靠传输协议，它保证数据报被接收端按序接收。一个典型的 t c p 的连接有3 个阶段：三次握手( 初始化) 阶段，数据传输阶段和结束阶段。 t c p 初始化时，发送端发送t c p 同步报文，接收端对这个同步报文发回确认， 最后发送端再次向接收端发送一个应答报文，从而完成了t c p 连接的三次握手。 在数据传输阶段，t c p 采用a i m d 的拥塞控制策略，发送端每收到一个确认， 就对拥塞窗口加1 。当源端检测到丢包事件，则将当前的拥塞窗口减半，降低发送 速率，并重传丢失的数据报。这种策略保证了每一个数据报都能到达接收端。这个 可靠性对一些应用来说是很好的，比如w w w 和文件传输，但是对流媒体不一定是 必要的。对于多媒体流，可以容忍少量的帧丢失，却不能容忍t c p 超时重传带来的 迟延。另外t c p 的发送速率具有很大的抖动，因此多媒体应用不能有效利用t c p 协议，而依赖u d p 协议。 u d p 协议的优点是简单。没有连接过程和关闭过程，没有可靠性保证。大部分 流媒体应用，比如r e a l v i d e o r e a l a u d i o 和微软的媒体播放器使用u d p 来播放多媒 体数据，它们的拥塞控制算法是在u d p 之上的，并和各自的数据流的特征相适应。 但是问题是： ( 1 ) u d p 没有提供拥塞控制机制，数据的发送速率由接收端的接收速率决定。 所以当网络拥塞时，所有的t c p 流根据拥塞控制策略减少它们的发送速率，而u d p 由于不采用拥塞控制策略而继续以固定速率发送数据，这样就会造成t c p 流得不到 公平的带宽( 见图1 4 ) 。 ( 2 ) 即使在u d p 之上采用流量控制算法，由于这些算法是各自设计的，它们 在使用网络资源上也是不公平的。 ( 3 ) 很多防火墙产品禁止u d p 连接通过，这样防火墙内部的众多用户难以得 到多媒体服务。 ，f 卧 鼙 时弼 图1 4u i ) p 的t c p 不友好性 陈俊钦基于区分服务的分层组播拥塞控制研究 9 网络通讯界在分析了问题和比较了各种可能的解决方案后，提出要开发新的传 输控制协议。解决流媒体传输控制问题上的方案有r t p 协议1 5 j 和s c t p 协议 6 1 。r t p 是运行在u d p 上的传输层协议，不能提供任何保证及时提交的机制，也不防止错 序提交。s c t p 增强了u d p 业务并提供数据报的可靠传输，采用类似t c p 的拥塞 控制策略。但是，s c t p 开销很大，另外，它从t c p 继承来的某些可靠性对于流媒 体来说也是不必要的。一些应用可以采用上节介绍到的g a i m d 、t f r c 等拥塞控 制算法，但是这些算法基于u d p 之上，需要应用开发者自己实现。 数据报拥塞控制协议d c c p 是i e t f 最新提出的在i p 网络上传输流媒体文件的 传输控制协议p 】。d c c p 原名是数据报控制协议( d a t a g r a mc o n t r o lp r o t o c o l ，d c p ) 【7 8 】，为了在发音上能和t c p 有明显的差异，改称d c c p 。d c c p 结合了t c p 和u d p 的优点，适合于那些不需要t c p 那样的按序和完全可靠的传输，但是又希望采用某 种t c p 友好的拥塞控制算法的应用。它具有可靠的连接建立和拆除的管理，灵活的 拥塞控制策略，有望代替r t p ，s t c p 等其他流媒体传输控制协议，是业界讨论的 热点。 d c c p 的基本思想是结合u d p 的不可靠性和t c p 的拥塞控制能力，连接被可 靠地建立和拆除，并提供可选的拥塞控制算法，从而让应用开发者从自己的拥塞控 制算法的实现工作中解脱：d c c p 的协议负担轻，从而让目前那些使用u d p 协议的 各种多媒体应用能够轻松的转到使用d c c p 来。 在考虑设计传输控制协议时的一个原则是：不应该由应用程序来设定发送数据 的速率，否则的话，所有的应用程序会会极力抢占带宽。因此，d c c p 具有拥塞控 制机制，并且不允许上层的应用程序禁止拥塞控制。但是，d c c p 给应用程序一个 选择怎样的拥塞控制机制的机会。 管理d c c p 的拥塞控制策略的模块为拥塞控制管理器，它提供的各种拥塞控制 算法称为拥塞控制i d ( c o n g e s t i o nc o n t r o li d s ) 。目前有2 种拥塞控制i d 可以选择： 类t c p 的拥塞控制( t c p t y p e c o n g c s t i o nc o n t r 0 1 ) c c i d 2 1 9 j 和t c p 友好的速率控制 ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o l ，t f r c ) c c i d 3 1 0 l 。c c i d 2 是基于窗口的，包含了类 似于t c p 的拥塞控制窗口，慢启动，拥塞避免和超时等；而c c i d 3 采用了一种基 于方程的t f r c 算法。 在端到端之间，共存的d c c p 连接以及不同方向上的半连接可以各自选择不同 的拥塞控制i d 。另外，d c c p 提供了添加新的拥塞控制算法的机制，这可以进一步 扩展d c c p 的性能。当然，所有新增的拥塞控制i d 应该是t c p 友好，并且得到i e t f 的承认。 d c c p 的研究和实现还不充分，但是d c c p 给出了多媒体流的传输控制一个清 1 0 扬州大学硕士学位论文 晰框架，并且初步的研究结果表明它是有效和t c p 友好的。在最终的多媒体流传输 控制方案确定之前，大部分应用还得使用t c p 或者u d p 。t c p 的可靠性继续为不 需要完全可靠的应用添加负担，u d p 由于缺少拥塞控制从而影响它被广泛接受。不 管最终的传输控制协议是如何的，一些基本的原则是：t c p 的拥塞控制机制决定了 什么是公平的数据发送速率；u d p 的不可靠传输和灵活性将是数据传输方式的最主 要参考