（计算机应用技术专业论文）tcp性能改进与优化的多播路由算法研究.pdf

博士学位论文 摘要 实时多媒体流应用目前己成为多媒体网络的一个热点研究方向，尤其是网上 远程教学的强力需求推动着这一方向的研究。人们不仅需要通过网络把实时多媒 体流送到各个异地的教学点，而且需要稳定和较高的品质。由于主要依靠t c p 传 输协议的i n t e m e t 网络是个尽力而为的网络，目前的多媒体流应用仍缺乏有效的 拥塞控制机制，使其在相同网络条件下不能与t c p 流公平的竞争带宽。因而，针 对多媒体流“t c p 友好的”( t c p f r i e n d l y ) 拥塞控制机制是当前计算机网络领域 的研究热点：无线网络中目前主要采用传统的传输协议，如何改进已有的t c p 传 输协议性能以适应无线网络的特征也是人们关注的焦点：另一方面采用多播的方 式如何在传输多媒体流时有效地节省网络资源及多播路由中保证服务质量( q o s ) ， 也是必须解决的问题。本文以研究t c p 性能的改进方法和保证服务质量的多播路 由问题为目标。试图通过对多媒体流t c p 友好的拥塞控制机制、无线网中改进传 输控制协议t c p 性能方法的研究和优化多媒体流多播路由算法，以满足远程教育 及众多应用领域的需求。 本文对这一课题的研究着重集中在以下三个方面： 第一，寻求一种既能保证t c p 友好又能考虑到多媒体流自身特点的“端到端” 拥塞控制机制，重点研究t c p 友好与速率阈值限定的权衡问题；第二，针对传统 的t c p 协议在移动计算环境下存在诸多问题，试图采用显式通告机制改进t c p 的性能；第三，对于实时性要求高的多播应用，提出新的满足时延、时延抖动约 束的多播源路由算法。网络在满足应用服务请求的同时，应尽可能地降低资源的 消耗。用优化的试探方法解决多个多媒体流分发问题。 本文的主要工作和创新点在于如下工作： 1 针对t f r c ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 机制不适应多媒体流的最低速率阈 值限定的特性，本文在基于建模的t c p 友好的拥塞控制理论基础上提出基于阈值 限定的媒体流t c p 友好的拥塞控制机制一t c r c ( t h r e s h 0 1 d - c o n s t r a i n e dr a t e c o n t r o l l ，在此基础上进一步地提出一种基于多路复用的t c r c 改进机制 m t c r c ( m u l t i p l e x i n g t c r c ) 。实验结果显示：在低丢失率的链路中，m t c r c 协 议和t f r c 协议都具有很好的t c p 友好性；在高丢失率的链路中，m t c r c 则比 t f r c 具有更好的t c p 友好性；m t c r c 流能保证运行时的发送速率始终在最低 速率阈值以上，从而保持多媒体流的可用性。 2 通过扩展t c p 协议使发送方能够区分包排序和丢包，减少不必要的“超 时重传”和“快速重传”以改善t c p 的性能。在改进累积的显式传输出错通告协 i i t c p 性能改进与优化的多播路由算法研究 议一c e t e n ( c u m u l a t i v ee x p l i c i t t r a n s p o r t e r r o r n o t i f i c a t i o n ) 的基础上提出显式的排 序通告方案r r c e t e n ，使t c p 发送方避免包重排序( p a c k e tr e o r d i n g ) 引起的假重 传。同时在接收方统计累积的假重传次数，提高l e a s t ( l o s se s t i m a t i o n s a l g o r i t h m sf o rt c p ) 算法的精度，提高了5 0 8 2 的吞吐率，减少了1 4 一4 5 的 不必要的重传。使t c p 的性能更加健壮。 3 本文首次提出了链路可共享性的概念。基于链路可共享性，提出了一个快 速有效的时延约束多播路由算法s b m r ( s h a r e a b i l i t y b a s e dm u l t i c a s tr o u t n g ) 。实 验表明，s b m r 算法构建的多播树有7 2 比k p p 算法构建的多播树更优，代价降 低1 3 ，启用的链路数减少9 ，而且c p u 时间减少1 5 。与d c s p 算法相比， s b m r 算法以增加2 8 的c p u 时间为代价，构建的8 2 的多播树比d c s p 算法 更优，代价降低1 5 ，而且启用的链路数减少1 1 达到了更好的链路共享。 4 通过对d i j k s t r a 最短路径算法的扩展，提出一个快速有效的满足时延和时 延抖动约束的多播路由算法e d d v c m r 。算法不仅可以找到多播源到各接收端的 时延最小路径，还可以找到时延介于某一区间段的路径。从找到的若干路径中抽 取一组满足时延抖动约束的路径，组建一棵满足时延和时延抖动约束的多播树。 实验表明，e d d v c m r 算法与d v m a 算法相比，有高出7 的求解成功率，同时， 执行的c p u 时间减少3 6 。 5 网络在满足应用服务请求的同时，还应尽可能地降低资源的消耗。本文采 用优化的试探方法解决多个多媒体流分发问题。实验结果表明，优化后的算法， 与已有算法比较起来，使客户端接收视频流的满意度提高5 8 ，链路带宽节余 8 一2 0 。 关键词：多媒体流：t c p 友好的；拥塞控制；多播路由；服务质量 i l l 博士学位论文 a b s t r a c t r e a lt i m em u l t i m e d i as t r e a m i n ga p p l i c a t i o n sh a v eb e e nah o tt o p i ci nt h ef i e l do f m u l t i m e d i an e t w o r k ，i n c l u d i n gr e m o t ee d u c a t i o n ，w h e r er e a lt i m em u l t i m e d i as t r e a m s m u s tb es e n tt oo t h e rp l a c e so ft e a c h i n gs i t e sw i t hs t a b i l i z a t i o na n dh i g hq u a l i t y ，s i n c e t h ei n t e r n e t ，w h i c hm a i n l yd e p e n d so nt h et c pp r o t o c o l ，i sa “b e s t e f f o r t ”n e t w o r k ， c u r r e n tm u l t i m e d i as t r e a m i n ga p p l i c a t i o n sa r es t i l ll a c ko fa ne f f i c i e n tc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s m ，a n dt h e nt h e yc o m p e t eu n f a i r l yb a n d w i d t hw i t ht c pf l o w s t h u s ， r e s e a r c ho n “t 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 lm e c h a n i s m sf o rm u l t i m e d i as t r e a m i n g a p p l i c a t i o n si sah o t s p o to fr e s e a r c hi nt h ep r e s e n tc o m p u t e rn e t w o r ka r e a o nt h e o t h e rh a n d ，s i n c et h ew i r e l e s sn e t w o r ku s e st h et r a d i t i o n a lt c pp r o t o c o l ，w ef o c u so n h o wt o i m p r o v et h et c pp r o t o c o lt o s u i tt h e c h a r a c t e r so fw i r e l e s sn e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，h o wt os a v er e s o u r c eo fn e t w o r kw h e nw eu s em u l t i c a s tt ot r a n s m i t m u l t i m e d i as t r e a m si sa l s oap r o b l e mw eh a v et or e s o l v e t h i sp a p e ra i m st os o l v et h e p r o b l e m sb yf i n d i n gs o m em e t h o dt oa d v a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft c pa n dt o g u a r a n t e eq o s t h i sp a p e rt r i e st om e e tt h en e e d sf o rr e m o t ee d u c a t i o na n do t h e r a p p l i c a t i o n sb ya d v a n c i n gt 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 ，i m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo f t c pf o rw i r e l e s sn e t w o r k s ，a n do p t i m i z i n gm u l t i m e d i as t r e a m i n gm u l t i c a s ta l g o r i t h m s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g ： f i r s t ，s e e k i n gam e c h a n i s mf o r e n dt oe n d c o n g e s t i o nc o n t r o lt og u a r a n t e e t c p f r i e n d l i n e s sa n dt os u i tt h em u l t i m e d i as t r e a m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp a y i n g m u c ha t t e n t i o nt ob a l a n c eo ft c p f r i e n d l i n e s sa n dt h o s ec h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d ，i m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo ft c p b a s e do ne x p l i c i tn o t i f i c a t i o nm e c h a n i s m o v e rt h et r a d i t i o n a lt c p p r o t o c o lf o rm o b i l ec o m p u t i n g ； t h i r d ，p r o p o s i n gs o m en e w m u l t i c a s tr o u t i n ga l g o r i t h ms a t i s f y i n gw i t hd e l a ya n d d e l a yv a r i a t i o nc o n s t r a i n t s ，a n da tt h es a m et i m es a r i s f y i n gw i t hr e q u i s i t i o no fs e r v i c e t os a v en e t w o r kr e s o u r c e s ，a n du s i n ga no p t i m i z e dh e u r i s t i ca l g o r i t h mt os o l v ea d i s t r i b u t i o np r o b l e mf o rm u l t i c a s t s t r e a m s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r em a i n l yi nt h ef o l l o w i n g ： s i n c et h et f r c ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) m e c h a n i s md o e sn o tf i tf o rt h e m u l t i m e d i as t r e a m st h r e s h o l dc o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i s t i c ，w ep r o p o s eat h r e s h o l d c o n s t r a i n e dr a t ec o n t r o lm e c h a n i s mf o rm u l t i m e d i as y s t e m s ，c a l l e dt c r c i na d d i t i o n ， o nt h eb a s i so ft h e o r yo fm o d e l 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 ，w ep r o p o s ea n i m p r o v e d t c r cv e r s i o nu n d e rm u l t i p l e x i n gc i r c u m s t a n c e s ，c a l l e dm t c r c t c p 性能改进与优化的多播路由算法研究 ( m u l t i p l e x i n g t c r c ) ，w ei n t r o d u c et h et e c h n o l o g yo ft h ep r o b a b i l i s t i cb a s e dr a n d o m e x p e r i m e n t ，s ot h a t t h ea g g r e g a t i o no fm u l t i p l em t c r cf l o w sb e h a v e si na t c p - f r i e n d l ym a n n e r r e s u l t ss h o wt h a ti nt h el o wl o s sr a t ec i r c u m s t a n c e s ，m t c r c t c p f r i e n d l i n e s si sa sg o o da st f r ci nh i g hl o s sr a t ec i r c u m s t a n c e s ，a n de v e nb e t t e r t h a nt f r c m t c r cc a na s s u r et h a tt h es e n d i n gr a t ei sa l w a y sa b o v et h em i n i m u m r a t ei nt h er u n n i n gt i m et ok e e pt h em sa p p l i c a t i o na v a i l a b i l i t y i no r d e rt oi m p r o v et h et c pp e r f o r m a n c e ，w ee x p a n dt h et c pp r o t o c o lb y m a k i n gs e n d e rk n o w nw h a ti sp a c k e tr e o r d e r i n ga n dl o s s t or e d u c eu n n e c e s s a r y “o v e r t i m er e t r a n s m i t t e d ”a n d“f a s tr e t r a n s m i t ”b a s e do nc e t e nr c u m u l a t i v e e x p l i c i tt r a n s p o r t e r r o r n o t i f i c a t i o n ) ，an e wm e t h o dr r c e t e n ( r e o r d e r r o b u s t c e t e n ) i sp r o p o s e d t h i sm e c h a n i s mc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o no fl e a s t a n dm a k ec e t e nm o r er o b u s t e x p e r i m e n t so ft h em e t h o ds h o wt h ee f f i c i e n c yt h a ti t c a na d v a n c et h r o u g h p u tb y5 0 一8 2 a n dd e c r e a s eu n n e c e s s a r yr e t r a n s m i tb y 1 4 4 5 w ei n t r o d u c ean e wc o n c e p to fl i n ks h a r e a b i l i t ya sh e u r i s t i ci n f o r m a t i o nf o r m u l t i c a s tr o u t i n g ，a n dp r e s e n tam u l t i c a s t r o u t i n ga l g o r i t h m t e r m e ds b m r ( s h a r e a b i l i t y b a s e dm u l t i c a s tr o u t n g ) t om i n i m i z ec o s t sw i t h d e l a yc o n s t r a i n t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r i n gt ok p p , m u l t i c a s tt r e e sg e n e r a t e db ys b m r a r e7 2 b e t t e rt h a nt h a tg e n e r a t e db yk p pw i t h13 d e c r e a s eo fc o s t a n d9 l e s s l i n k si n v o k e d o nt h eo t h e rh a n d ，s b m rg e n e r a t e sm u l t i c a s tt r e e sa r ea l s ob e t t e rt h a n d c s pw i t ht h ep r o b a b i l i t y8 2 ，15 d e c r e a s e dc o s t so ft h en e t w o r k ，a n d11 l e s s l i n k st ob es h a r e do na na v e r a g e h o w e v e r , t h ec p ut i m ei n c r e a s e s2 8 a sap e n a l t y w ep r e s e n ta ne f f i c i e n ta l g o r i t h mf o rm u l t i c a s tr o u t i n gu n d e rd e l a ya n dd e l a y v a r i a t i o nc o n s t r a i n t s e d d v c m rt of i n dar o u t i n gt r e e t h i sa l g o r i t h mi sb a s e do nt h e e x t e n d e dd i j k s t r as h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m ，a n dh a sal o wc o m p l e x i t y , w h i c hi sa l m o s t t h es a m ea st h ed i j k s t r as h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r i n gt od v m a ，t h er o u t i n gs u c c e e dr a t ei s7 h i g h e rt h a nt h a tg e n e r a t e db y d v m a a n dt h ec p ut i m ed e c r e a s e s3 6 w ep r o p o s ea no p t i m i z e dh e u r i s t i ca l g o r i t h mt or e d u c en e t w o r kr e s o u r c e c o n s u m p t i o nf o rm u l t i c a s t s t r e a m s t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a ti ti sb e t t e rt h a no t h e r e x i s t i n ga l g o r i t h m s m a k i n gs a t i s f a c t i o n5 8 a tc l i e n t sa n ds a v i n gl i n kb a n d w i d t h 8 一2 0 k e y w o r d s ：m u l t i m e d i as t r e a m ；t c pf r i e n d l y ；c o n g e s t i o nc o n t r o l m u l t i c a s tr o u t i n g ；q u a l i t yo fs e r v i c e v 博士学位论文 插图索弓 图2 1网络负载与吞吐量及响应时间的关系 图2 2 简单( s q r t ) 模型和复杂( p f t k ) 模型的对比 图3 1一次往返时间的图示 图3 2a l i 法中使用的权值 图3 ，3t c r c 发送端的状态转换图 图3 ，4 不同的四种丢失模式 图3 5 模拟实验拓扑图 图3 6t f r c 与t c r c 在暂时拥塞时的吞吐量比较 图3 7t f r c 与t c r c 在持续拥塞时的吞吐量比较 图4 1m t c r c 发送方的状态转换图 图4 2 瓶颈延迟的影响 图4 3丢失率的影响 图4 4m t c r c 和t c p 的吞吐量 图4 5t f r c 和t c p 的吞吐量 图5 1b a c k w a r de t e n 图5 2f o r w a r de t e n 图5 3e c n 在i p 和t c p 头使用的位标记 图5 4w i s e ，n e w r e n o ，e l n 和e t e n 的比较 图6 1l e a s t 改进前后不必要重传的比较 图6 2 模拟拓扑 图6 3吞吐率的比较 图6 4 不必要重传率的比较 图6 5公平指数2 0 个流 图6 6 公平指数一1 0 0 个流 图6 7 平均聚合吞吐量一2 0 个流 图6 8 平均聚合吞吐量1 0 0 个流 图6 9 c e t e n ( u n ) f r i e n d l i n e s s 图7 1共享链路的重要性 图7 2 链路的可共享性 图7 - 3s b m r 算法示例1 图7 4s b m r 算法示例2 x b幻”勰儿弛”弘”铊钻钉诣犍以记乃乃似跎蚪踮 t c p 性能改进与优化的多播路由算法研究 图7 5 图7 6 图8 1 图8 2 图8 3 图8 4 图8 5 圈8 6 有向无环图示例 算法求解成功率的比较 视频节目的分发策略对接收端的影响 初始化后网络状况，g = 3 2 调整链路( v 1 ，v 3 ) 节目类型后网络的状态，g = 3 0 回溯后网络的状态，g = 3 5 剩余链路平衡示意图 算法时间开销和g 值提高率 9 4 1 0 0 1 0 4 1 0 7 1 0 7 1 0 8 1 0 8 1 1 2 博十学位论文 表1 1 表2 1 表3 1 表4 1 表4 2 表4 4 表4 5 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表7 1 表7 2 表7 3 表7 4 表7 5 表7 6 表7 7 表7 8 表7 9 表7 1 0 表7 1 1 表7 1 2 表8 1 附表索弓 有线多播与无线多播的比较 当前的主要t c p 友好的拥塞控制协议的特性 模拟实验的各项参数 模拟实验的各项参数 瓶颈延迟的影响 队列管理策略的影响 丢失率的影响 r r t c p 算法 c e t e n 头的域 新的c e t e n 头的域 模拟实验参数的范围 多播树优化的百分比( k = 5 ) 多播树优化的百分比( k = 1 0 ) 代价减小的百分比( k = 5 ) 代价减小的百分t t ( k = 1 0 ) 多播树链路数比较( k = 5 ) 链路数比较( k = 10 ) 链路数减少的百分比( k = 5 ) 链路数能减少的百分比( k = 1 0 ) k = 5 时三算法执行时间比较表( 单位：毫秒) k = 1 0 时三算法执行时间比较表( 单位：毫秒) 扩展的d i j k s t r a 算法找到的路径 三个算法的执行时间( 单位：毫秒) 带回溯的禁忌搜索算法实验结果 j加弘舛”卯硒的他的帅蚍叭叭妮蛇蛇叭 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期：少彳年，月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加f 年j 月t u 日 日期：一f 年r 月f6 日 玑气 砂静 博士学位论文 第1 章引言 自从上世纪6 0 年代以来，因特网( i n t e m e t ) 迅猛发展。尽管因特网是庞大和异 构的网络，而且非常稳定。但目前存在着不同的网络拓扑结构、协议和流量模型， 需要在拥挤的网络上提供一定的服务质量( q o s ) 以适应不同的用户的需求。特别是 近年来，i n t e r n e t 上引入大量的实时视频和音频流应用，如视频点播( v o d l 、视频 广播、视频会议、远程教学、交互式游戏等。丰富的多媒体流应用对用户有很强 的吸引力，多媒体流应用已成为网络的主流应用。通信网络进入2 0 世纪9 0 年代后， 向着综合业务的方向发展，新出现的多媒体通信也带来了多播的需求，具有多播 要求的业务日益增多，并受到广泛重视。 由于主要依靠t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 传输的i n t e m e t 网络是尽力 而为( b e s t e f f o r t ) 网络，当前的多媒体流应用仍缺乏有效的拥塞控制机制，使其 在相同网络条件下不能与t c p 流公平地竞争带宽。因而，针对多媒体流“t c p 友 好的”( t c p f r i e n d l y ) 拥塞控制机制是当前计算机网络领域的研究热点。无线网 络中目前主要采用传统的传输协议，针对无线网络高出错率和不稳定性，如何改 进已有的t c p 传输协议性能以适应无线网络的特征也是人们关注的焦点：另一方 面采用多播的方式传输多媒体流能有效地节省网络资源，如何在多播路由中保证 服务质量，也是必须解决的问题。本文以基于t c p 性能的改进方法和保证服务质 量的多播路由问题为目标，并试图通过对多媒体流的t c p 友好的拥塞控制机制、 无线网中改进传输控制协议t c p 性能方法的研究和优化多媒体流多播路由算法， 以满足远程教育及众多应用领域的需求。 因特网络的稳健性得益于广泛使用地传输控制协议( t c p ) 。在上世纪7 0 年代中 期，a r p a 为了实现异种网络之间的互联与互通，推出了t c p i p 体系结构和协议 规范。目前，t c p i p 协议也成为最流行的网际互联协议，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。 随着互联网用户数量的膨胀及多媒体流的广泛应用，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 协议川，因此，互联网上主要的因特网协议 t c p i p 的拥塞控f b l ( c o n g e s t i o nc o n t r 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健壮l 生( 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 ds e r v i c e s ) 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。 t c p 性能改进与优化的多播路由算法研究 t c p 是目前i n t e r n e t 上使用最广泛的一种传输协议，根据m c i 的统计，i n t e r n e t 上总字节数的9 5 及总数据包数的9 0 使用t c p 协议传输2 1 。t c p 的目的是为了解 决i n t e m e t 的稳定性、异质性( 接收端缓冲区大小、网络带宽及延迟等) 、各流之问 享用带宽的公平性、使用效率及拥塞控制等问题，从而为i n t e r n e t 提供可靠、健壮 ( r o b u s t ) 的端到端通讯。i n t e r n e t 近十年来的迅猛发展已证明t c p 协议在设计上是成 功的。 t c p 是为固定主机及有线网络设计的一种滑动窗口协议，它在位出错率 b e r ( b i tr a t ee r r o r ) 很低、以丢包导致网络拥塞的传统网络上很成功，在移动计算 环境下却受到了巨大的挑战。移动计算带来的新问题主要是无线链路传输的可靠 性、移动操作的特点以及对效率评估的性能尺度等问题。因此，对t c p 协议的改 进已经成为近几年网络通讯领域的一个研究热点。 在最初的t c p 协议【3 】中只有流控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 而没有拥塞控制，接收端利用 t c p 报头将接收能力通知发送端。这样的控制机制只考虑了接收端的接收能力， 而没有考虑网络的传输能力，导致了网络崩溃( c o n g e s t i o nc o l l a p s e ) 的发生 4 】。1 9 8 6 年1 0 月，由于拥塞崩溃的发生，美国l b l 至u u cb e r k e l e y 的数据吞吐量从3 2 k b p s 跌落 至f j 4 0 b p s 。针对这次网络拥塞崩溃，v a nj a c o b s o n 5 】提出了拥塞避免机制。从那时 起，许多研究者在拥塞控制领域开展了大量的研究工作。流量控制成为网络领域 研究的焦点。 拥塞控制算法对保证i n t e r a c t 的稳定具有十分重要的作用。网络的拥塞来源于 网络资源和网络流量分布的不均衡性，拥塞不会随着网络处理能力的提高而消除。 拥塞控制算法的分布性、网络的复杂性和对拥塞控制算法的性能要求又使拥塞控 制算法的设计具有很高的难度。到目前为止，拥塞问题还没有得到很好的解决【4 1 。 1 1 多媒体流的t c p 友好拥塞控制机制研究 i n t e r n e t 上引入大量的实时视频和音频流应用，如视频点播( v o d ) 、视频广播、 视频会议、远程教学、交互式游戏等。这类应用的主要特点是： ( 1 ) 对时延敏感； ( 2 1 能容许一定的数据丢失； f 3 ) 数据传输拥塞控制策略是基于速率的。 目前i n t e r n e t 上大多数多媒体实时业务流一般是基于u d p 的。u d p 是一种无连 接传输协议，在传输媒体流方面要比面向连接的t c p 更有优势。u d p 不支持拥塞 控制，所以这些业务流通常都没有进行端到端拥塞控制。这样的业务流过多出现 在i n t e r n e t 上，将对i n t e r n e t 产生严重的负面影响。如果缺乏有效的拥塞控制机制将 会导致严重的后果，如拥塞崩溃f 6 1 。人们在拥塞控制领域开展了大量的研究工作。 拥塞控制算法对保证i n t e r n e t 的稳定具有十分重要的作用。 博士学位论文 i n t e m e t 的稳定主要依赖于t c p 的端到端拥塞控制机制。t c p 使用“和式增加 积式减少a i m d ”( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ) 的基于窗口的拥塞控制 机制。这种拥塞控制机制对i n t e m e t 上传统的尽力而为( b e s t e f f o r t ) 型服务如f t p 、 w w w ，具有较好的适应性，但对于当今大量涌现的有实时质量要求的音频和视 频流应用却并不适应。这主要是因为在拥塞时速率减半的策略将引起多媒体数据 传输速率过大的抖动，会明显降低用户可察觉的质量( u s e r p e r c e i v e dq u a l i t y ) 。因 此，按网络拥塞水平适当的调整发送速率更适合发送速率相对稳定( 即相对“平 滑”，s m o o t h n e s s ) 、时延抖动受限的多媒体数据流1 7 j 。 一个传输多媒体流的可选方案是利用资源预留( r s v p ) 8 】或区分服务 ( d i f f s e r v ) ”。但是，即使这些技术能够广泛地推广，仍然会有很大的一个用户群 体，他们需要用比较低廉的价格来传输实时多媒体业务，而价格最低廉的服务正 是b e s t e f f o r tj 艮务。就算在那些支持r s v p 和d i f f s e l w 的网络上，在相同服务等级中， 各个用户享用资源的权利是平等的，所以他们互相之间还是一种b e s t e f f o r t 服务。 可见研究用b e s t e f f o r t 传输多媒体数据是非常有意义的工作【1 ”。 当前的i n t e r n e t 主要是利用没有拥塞控制的u d p 传输多媒体业务，文献i 1 1 】对 当前最流行的r e a l n e t w o r k s 公司的商业流式播放器r e a l p l a y e r 分别基于u d p 和t c p 进行了测试，发现诸多使用u d p 的好处，包括掘塞时获得更高的平均带宽和更加 平滑的播放速率等。但由于u d p 没有拥塞控制机制，当基于t c p 的应用和基于u d p 的应用共享网络资源时，一方面，基于u d p 的应用将会占尽所有的带宽，导致带 宽分配的严重不公平 1 2 , 1 3 1 。而另一方面，t c p 又是i n t e m e t 中的主要传输协议，它 占了整个i p 包的8 3 ，并承载了大约9 0 的i n t e r n e t 通信量【2 j 。因此，为保持i n t e r n e t 的稳定，应对基于u d p 的应用程序增加拥塞控制机制，并且该机制能够确保u d p 永i t c p 数据流和平友好共处。所以，随着以音视频实时传输为主的多媒体应用在 i n t e r n e t 上的广泛开展，为满足流媒体对带宽和延时的要求，需引入一种新的拥塞 控制机制好坏的评价标准和对t c p 友好性的( t c p f r i e n d l y ) 扣】评价。“t c p 友好”作 为一种新的拥塞控制机制好坏的评价标准，也日益被大家认可。 在本文中，t c p 友好是指：用b e s t e f f o r t h 眨务传输的多媒体实时流必须与同等 条件下的t c p 流的吞吐量近似的、平均的相等。 1 1 1t c p 友好拥塞控制机制研究最新进展 近几年来，研究人员相继提出了许多t c p 友好的拥塞控制机制1 1 4 。“。这些新 的拥塞控制机制的主要目标是试图与基于t c p 的应用公平的分享可用带宽。 t c p f r i e n d l y 协议主要分为两类：一类是基于a i m d 的，如文献 1 4 2 0 等，另一类 是基于数学模型的，如文献 2 1 2 4 等。 a i m d 拥塞控制算法最主要特点就是：和式增加积式减j , ( a i m d ) 的窗口( 速率) t c p 性能改进与优化的多播路由算法研究 调节机制，数学式表示为： ，：+ r 卜wr + a ； 口 u r 11 、 d ：+ a 卜卢w r ；0 l ”j 其中i 表示因为在r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 内接收至i j a c k 包而引起窗口增加，d 表 示遇到拥塞后窗口减小，w t 是t 时刻窗口的大小，r 是r t t ，口，是常数。这就是 说，在当前的窗口大小的基础上，下一个i 盯t 以后，增加一个常数大的窗口宽度， 而减小时则按当前的窗口大小的比例减小。在g a i m d ( g e n e r a l a i m d ) ( 2 5 中，主要 讨论了这类算法的稳定性和公平性。r a p 1 6 1 机制模仿t t c p 的和式增加积式减小 的拥塞控制机制。并通过接收方的缓存策略来对吞吐量的抖动进行一定的过滤。 但它的速率波动还是比较大，不利于实时多媒体流的传输。l d a i ”】机制则利用了 目前用于实时流传送的r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 和r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 协议来传送网络参数。源端利用控制包提供的信息计算出丢包率和r t t 。 t e a r ( t c pe m u l a t i o na tr e c e i v e r s ) 在接收端维持一个类似t c p 一样的拥塞窗 口，