（计算机应用技术专业论文）有线无线网络中基于网络测量的拥塞控制研究.pdf

摘要 无线网络( 包括蜂窝网络、卫星网络、移动自组网、传感器网络等) 和移动 计算的发展成为互联网的一个新特点，人们期待在任何时间任何地点以任何方 式自由地享用网络服务。网络带宽以光纤定理的规律增长，但仍无法满足人们 对带宽资源的要求，尤其在有线无线混合网络中，由于无线网络具有误码率高， 终端移动切换，链路不稳定，高带宽延迟乘积等特点，传统的基于t c p 的拥塞 控制机制难以适应有线无线混合网络，本文针对有线无线混合网络的特点，采 用基于网络测量的方法改进现有的拥塞控制机制，同时，对主动队列管理机制 进行改进，提高网络传输性能。论文的主要工作和贡献表现在以下几个方面： 1 为准确获取网络状态，提出了基于端系统的瓶颈链路队列长度和端到端可 用带宽测量方法 精确获取各种网络参数和准确判断网络状态对于实旌有效的拥塞控制具有 至关重要的作用，本文提出了一种基于往返延迟( r o u n dt r i pt i m e ，r t t ) 的实 时瓶颈链路分组队列长度测量方法，并设计了一种基于t c p 协议的实时端到端 可用带宽测量方法。两参数能正确反映网络的真实状态，为改进无线网络拥塞 控制机制提供了重要的依据，该测量方法可以方便地嵌入到t c p 源端算法中， 无需网络其他节点的改变，易于广泛配置。 2 区分无线网络数据传输多种状态，提出基于测量的端到端的拥塞控制机制 该机制包括一种分阶段平滑慢启动机制，在连接启动时和过渡到拥塞避免时 发送速率增加幅度较小，减弱了突发流量对网络性能的损害，引入网络测量技 术获得了往返时间、网络带宽、瓶颈链路队列长度等网络状态参数，区分网络 拥塞和无线链路比特差错，自适应设置慢启动拥塞窗口门限阈值，避免了终端 节点对网络状态不了解产生的盲目行为；在拥塞避免阶段采用高低两种不同斜 率改进线性速率增加规律；在快速恢复阶段针对误码丢包和拥塞丢包采用不同 的速率调整方案，改进了t c p 的加性增加乘性减少( a d d i t i v ei n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ，a i m d ) 窗口调节机制。实验结果表明t c p y u e l u 有效降 低了网络抖动，提高了网络传输性能，并保持了良好的公平性和对其他t c p 流 的友好性。 3 改进主动队列管理机制，提出一种动态自适应公平性r e d 算法 基于t c p 的拥塞控制机制存在对短往返延迟短连接偏爱的问题，本文分析 了a q m 方案中r e d 算法，提出了一种加权公平的r e d 改进算法，称为c r e d 。 c r e d 获得一种公平的带宽分配机制，不管各连接分组的大小，根据连接的q o s 要求对连接分别处理，只以各连接分组在中间节点缓存区中占有容量的比例作 为计算链路丢包概率的依据，实现用户定义的带宽分配的公平性；在保证公平 性的同时保持网络高的吞吐量。同时针对r e d 算法静态参数设置以及对参数设 置敏感的局限性，提出了一种动态自适应r e d 算法。该算法利用一个高阶分组 丢弃函数，在下限阀值附近以较低的概率标记丢弃分组，在上限阀值附近迅速 提高分组的标记丢弃概率，并实现了从部分到全部标记丢弃分组的平滑化，其 参数p 。可依据平均队列和瞬时队列长度自适应调整，避免了静态参数设置的 约束。 4 区分拥塞无线链路错误丢包，提出一种t c p 友好流媒体拥塞控制机制 该机制通过在接收端区分网络拥塞丢包和链路错误随机丢包，能较准确判 断网络的拥塞状况，结合接收端缓存区占用程度，自适应实施多级速率调节， 实现了t c p 流友好性和流媒体服务质量( q o s ) 的折中。由于区分出无线链路 的误码丢包和动态调整流媒体q o s 要求，该机制能维持较高的网络利用率。大 量仿真实验的结果表明该机制对t c p 流是友好的，并且能够根据网络拥塞状态 调整流媒体服务的q o s 水平，保持网络稳定，在有线无线混和网络中具有很好 的性能。 关键宇：拥塞控制：网络测量；主动队列管理( a q m ) ；t c p 友好性；服务质 量( q o s ) i j a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k s ( i n c l u d i n gc e l l u l a rn e t w o r k ，s a t e l l i t e n e t w o r k m o b i l ea dh o cn e t w o r ka n de v e ns e n s o rn e t w o r k ) a n dm o b i l ec o m p u t i n g b e c o m e san e wc h a r a c t e ro ft h ei n t e m e t p e o p l ew a n tt oa c c e s st h en e t w o r ks e r v i c e s a ta n yt i m e ，a ta n yp l a c ea n dw i t ha n ym e t h o d t h o u g hn e t w o r kb a n d w i d t hi n c r e a s e s u n d e ro p t i c a lr u l e ，y e ti tn e v e rm e tb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to fp e o p l e e s p e c i a l l y , i n w i r e d w i r e l e s sh y b r i dn e w o r k s ，b e c a u s et h ep r o p e n t yo fh i g hb i te r r o rr a t e ，m o b i l e h a n d o f f , u n s t a b l el i n ks t a t ea n dh i g hb a n d w i d t hd e l a yp r o d u c t ，t h et r a d i c t i o n a l t c p b a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ss u f f e rg r e a tp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so fw 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 i sp a p e rp r o p o s e s e n h a n c e dc o n g e s t i o nm e c h a n i s m sb a s e dn e t w o r km e a s u r e m e n tt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fh y b r i dn e t w o r k s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ep r e s e n t e di n t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t oa c c u r a t e l yg a i nn e t w o r ks t a t e ，e n ds y s t e mb a s e dq u e u el e n g t ho fb o t t l e n e c k l i n ka n de n d t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t hm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e d a c c u r a t em e a s u r e m e n to fn e t w o r kp a r a m e t e r sa n dd e t e c t i n gr i g h tn e t w o r k s t a t e sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nc o n g e s t i o nc o n t r o l ，t h i sp a p e ra d d r e s s e sm e a s u r e m e n t m e t h o d so fs e v e r a lk e yn e t w o r kp a r a m e t e r s a nr t t - b a s e dr e , t i m eq u e u el e n g t ho f t h eb o t t l e n e c kl i n km e a s u r e m e n tm e t h o di si n t r o d u c e d ，a n dat c p b a s e de n d t o - e n d r e a l t i m ea v a i l a b l eb a n d w i d t hm e a s u r e m e n t m e t h o di sd e s i g n e d t h et w op a r a m e t e r s o b j e c t i v e l yr e f l e c tt h er e a ls t a t eo fn e t w o r k ，w h i c hs u p p l yg o o de v i d e n c ef o rd e s i g n o fn e w c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi nw i r e l e s sn e t w o r k t h em e a s u r e m e n tm e t h o d s c a nb ee a s i l ye m b e d d e di n t os o u r c ee n da l g o r i t h mo ft c pw i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o n o fo t h e rn o d ei nt h en e t w o r ka n dc o n v e n i e n t l yw i d e l yd e p l o y e di nt h ei n t e r n e t 2 t od i s t i n g u i s hv a r i o u ss i t u a t i o no fd a t at r a n s m i t i n gi nw i r e l e s sn e t w o r k m e a s u r e m e n tb a s e de n d - t o e n dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi sp r o p o s e d t h i sm e c h a n i s mc o n s i s t so fap h a s e d i v i d e ds m o o t hs l o ws t a r ta l g o r i t h m ，w h i c h i n c r e a s e ss e n d i n gr a t ew i ms m a l la m p l i t u d ea tc o n n e c t i o ns t a r ta n da tt r a n s i t i o n p h a s et oc o n g e s t o na v o i d a n c ea n dw e a k e n sh a r mt on e t w o r kp e r f o r m a n c ec a u s e db y b u r s t yt r a f f i c i ta l s oe m p l o y sn e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , o b t a i n i n gt h e n e t w o r kp a r a m e t e r s ，s u c ha sr o u n dt r i pt i m e ( r t t ) ，n e t w o r kb a n d w i d t ha n dq u e u e l e n g t ho ft h eb o t t l e n e c kl i n k ，a v o i d sm i s t a k eb e h a v i o ro ft e r m i n a ln o d e sf o rt h e i i i b l i n d n e s so fn e t w o r ks t a t e ，m o d i f i e sa i m ds t r a t e g yo ft c p a c c o r d i n gt on e t w o r k s t a t e sa n dp a c k e tl o s sr e a s o n s ，a n di m p r o v e sn e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i sa l g o r i t h mi s i m p l e m e n t e di nn s 2a n dm a n ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r er u nw i t hv a r i o u s s c e n a r i o s ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt c py u e l ud e c r e a s e sn e t w o r ko s c i l l a t i o n a n di m p r o v e sn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n dg o o df a i m e s sa n df r i e n d l i n e s sa r ea c h i e v e d 3 t oi m p r o v ea q mm e c h a n i s mp e r f o r m a n c e ，ad y n a m i ca d a p t i v ef a i rr e d a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t c pb a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m sa r ep a r t i a lt os h o r tr t tc o n n e c t i o n s a f t e ri n v e s t i g a t i o nl i m i t a t i o no fr e d ，af a i rb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s mc a l l e d c r e di sp r o p o s e d i tr a n d o m l yd r o p st h ep a c k e t so faf l o w 血a to c c u p i e sb u f f e r e x c e e d i n gt h ef a i ra l l o c a t i o nv a l u e c r e da l s og r a n t sh i g h e rp r i o r i t yt of l o w sw i t h q o sr e q u i r e m e n t ，a n da d j u s t sb u f f e ra l l o c a t i o na c c o r d i n gt oq u e u el e n g t ha d a p t i v e l y i ti m p r o v e st h ef a i r n e s so fb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，m a i n t a i n sh i g ht h r o u g h p u ta n d a s s u r e sq o so fs e r v i c e i no r d e rt og e to v e rt h el i m i t a t i o no fs t a t i s t i cp a r a m e t e r s e t t i n g ，ad y n a m i ca d a p t i v er e da l g o r i t h mi si n t r o d u c e d i te m p l o y sah i g h o r d e r f u n c t i o nt om a r ko rd i s c a r df r a g m e n t sw i t hl o w e r p r o b a b i l i t yn e a rl o wt h r e s h o l da n d h i g h e rp r o b a b i l i t yn e a rh i g ht h r e s h o l dr e s p e c t i v e l y i t sp a r a m e t e r , p m “i sa d a p t i v e l y a d j u s t e da c c o r d i n gt oa v e r a g ea n di n s t a n t a n e o u sq u e u el e n g t h ，a n di ta l s oa c h i e v e s t h es m o o t h n e s sf r o mp a r tt oc o m p l e t ep a c k e tm a r k i n go rd i s c a r d i n g 4 t ok e e pf r i e n d l yt ot c pf l o w sa n dm a i n t a i nq o so fs t r e a m i n gm e d i a ，a m e a s u r e m e n t - b a s e ds t r e a m i n gm e d i ar a t ec o n t r o lm e c h a n i s mi si n t r o d u c e d m u l t i m e d i as e r v i c e sa r ew i d e l ya p p l i e di nw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k ，ad y n a m i c a n da d a p t i v er a t ec o n t r o lm e c h a n i s mf o rs t r e a m i n gm e d i ai sp r o p o s e dt om a i n t a i n f r i e n d l yt ot c pf l o w s i nt h i sm e t h o d ，t h er e c e i v e rd i s t i n g u i s h e sp a c k e td r o p s b e t w e e nc o n g e s t i o na n dw i r e l e s sl i n ke r r o rt og e tt h ea c c u r a t es i t u a t i o no fn e t w o r k s ， a n dc o m b i n e st h eo c c u p a t i o no ft h er e c e i v e rb u f f e r , w h i c hr e f l e c t sh o wl o n gt h e t e m p o r a r i l ys t o r e ds t r e a m i n gm e d i aw i l lp l a y a n dt r a d e o f fb e t w e e nt c p - f r i e n d l y a n dq o so fs t r e a m i n gm e d i as e r v i c e si sa c h i e v e dt h r o u g hm u l t i l e v e lr a t ea d j u s t m e n t a n dd y n a m i ca d a p t i v e l yc h a n g i n gr e q u i r e m e n to fq o s ，a n dh i g hn e t w o r ku t i l i t yi s a l s oh e l d r e s u l t so fm a s ss i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sf r i e n d l yt ot c e s t a b l ea n do fg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r i d s ： c o n g e s t i o nc o n t r o l ；n e t w o r km e a s u r e m e n t ；a c t i v eq u e u e m a n a g e m e n t ( a q m ) ；f a i r n e s s ；t c pf r i e n d l y ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) 插图目录 图卜1 有线无线混合网络互连结构图2 图1 _ 2 论文组织结构图1 0 图2 - 1 网络吞吐量、延迟与网络负载关系l l 图2 - 2t c p 协议状态转化图1 4 图2 - 3t c p 协议拥塞控制窗口随时间在4 个阶段的变化情况1 6 图2 - 5 分段连接网络模型。2 6 图3 - 1 网络延迟组成3 3 图3 2 网络结构3 3 图3 - 3 往返延迟测量结果3 5 图3 - 4 瓶颈链路与端到端分组间隔情况一3 7 图3 5 实际的网络带宽测量模型3 7 图3 - 6 源端、目标节点分组传送间隔变化情况3 7 图3 7 基于t c p 的在线端到端带宽测量算法4 1 图3 - 8 分组传输过程延迟4 3 图4 - 1 慢启动窗口增加速度一4 7 圈4 - 2 基于带宽测量的分阶段慢启动算法5 0 图4 3t c p 协议慢启动窗口大小变化5 1 图4 - 4m p s t a r t 窗口大小变化( y = l ，口= 2 ) 5 1 图4 - 5 各种慢启动机制的比较5 1 图4 - 6 网络仿真拓扑5 4 图4 7 分组丢弃数与最大发送窗口关系5 5 图4 - 8 分组丢弃数与传输文件大小的关系。5 6 圈4 - 9 不同连接数的性能比较5 7 图4 - 1 0 慢启动瞬时队列长度比较5 b 图4 - 11c w n d 变化( 带宽为1o m b p s ) 5 9 图4 1 2c w n d 变化( 带宽为5 0 m b p s ) 5 9 图4 - 13 改进的拥塞避免机制6 2 图4 - 1 4 改进的快速恢复机制6 4 图4 - 15 两个t c py u e l u 流窗口对比图6 6 图4 - 16 网络仿真模型。6 6 图4 - 17 带宽测量结果比较6 7 图4 - 18 队列长度测量结果比较6 7 图4 - 1 9 误码率为0 1 和1 时c w n d 和ss t h r e s h 比较6 9 图4 - 2 0 在不同误码率和r t t 情况下的性能7 l 图4 2 1t c py u e l u 流带宽分享情况7 l 图5 1r e d 算法的具体实现7 4 v i i i 图5 2 网络仿真拓扑结构 图5 3r e d 算法仿真实验结果一 图5 4r e d 及改进算法分组丢弃策略 图5 5c r e d 算法详细描述 图5 6r e d 、c r e d 方法下公平性比较一 图5 7r e d 、c r e d 方法下传输带宽比较 图5 - 8p 。的自适应调节 图5 - 9n r e d ，r e d 算法比较一 图6 - 1 网络模型 图6 - 2 接收端缓存区结构 图6 3w t f c c 的算法伪代码 图6 - 4 网络仿真模型 图6 5 吞吐量与链路丢包率关系( n = 2 ) 图6 - 6 吞吐量与链路丢包率关系( n = 3 2 ) 图6 7 端到端与无线链路丢包率关系( n = 2 ) 图6 - 8 端到端与无线链路丢包率关系( n = 3 2 ) 图6 9t c p 和w t f c c 归一化吞吐量比较( p ，= o ) 图6 - 10t c p 和v r f c c 归一化吞吐量比较( p 产o 0 2 ) 图6 - 1 1t c p 和w t f c c 归一化吞吐量比较( p = 0 1 ) 表格目录 表3 - 1 测量结果比较( 2 0 0 3 年12 月1 5 日) 表4 - 1 启动阶段经历时间 表4 - 2 各l 曼启动机制性能比较 i x 7 5 7 7 7 8 8 2 8 3 8 3 8 6 8 7 9 3 9 5 9 7 9 9 9 9 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 2 1 0 2 4 2 5 3 5 6 缩写术语一览表 缩略语英文注解 中文注解 a i m d a o m a r e d a r q a t m a w n q b e r b l u e c h o k e c s f q c w n d d r r e b s n e c n e c t e l n f c f s f i f o f q g e n t l e - r e d g p s g p s g r e e n i e t f i p i p p m i s p 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 a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t a d a p t i v er e d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e l a d y e l l i s ew i n d o w b i tr a t ee r r o r c o r es t a t e l e s sf a i rq u e u e i n g c o n g e s t i o nw i n d o w d e f i c i tr o u n dr o b i n e x p l i c i tb a ds t a t en o t i f i c a t i o 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 e c n - c a p a b l et r a n s p o r t e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n f i r s tc o m ef i r s ts e r v e f i r s ti nf i r s to u t f a i rq u e u i n g g e n t l er a n d o me a r l yd e t e c t i o n g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e r a e tp r o t o e 0 1 i pp e r f o r m a n c em e t r i c sw o r k i n gg r o u p i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r x 加性增加乘性减少 主动队列管理 自适应r e d 算法 自动重传请求 异步传输模式 通告窗口 位出错率 一种a q m 算法 一种a q m 算法 核心无状态公平队列 拥塞窗口 差额轮询 显式坏状态通知 显式拥塞通告 e c n 使能传输 显示丢失通知 先来先服务 先进先出 公平排队 一种r e d 改进算法 广义处理器共享 全球定位系统 一种a q m 算法 互联网工程任务组 网际协议 i p 性能标准工作组 互联网服务提供商 缩略语英文注解 中文注解 i t c p m a n e t m h m i m d m s s m t c p m t u n s 2 n t p p ，p i q o s r e d r e m r i o r l g d r t o r t p r t t r w i n s a c k s r e d t c p t f r c u d p w f 2 q w f q w r e d w r r x c p i n d i r e c t - t c p m o b i l ea dh o cn e t w o r k s m o b i l eh o s t m u l t i p l i c a l 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 a s e m a x i m u ms e g m e n ts i z e m i g r a t o r yt c p m a x i m u mt r a n s f e ru n i t n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 n e t w o r kt i m ep r o t o c o l p r o p o r t i o n a l p r o p o r t i o n a li m e g r a l q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o me a r l yd e t e c t i o n r a n d o me x p o n e n t i a lm a r k i n g r e d w i t h i n a n d o u t r e i n f b r c e m e ml e a r n i n gg r a d i e n t - d e s c e n t r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t r e m t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r o u n dt r i pt i m e r e c e i v e rw i n d o w s e l e c t i v ea c k s t a b 】er e d t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l t c pf r i e n d l yr a t ec o n t r o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l w o r s tc a s ef a i rw e i g h t e df a i rq u e u e w e i g h t e df a i rq u e u e i n g w e i g h t e dr e d w e i g h t e dr o u n dr o b i n e 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 l x i 一种分段连接方案 移动自组网 移动主机 乘性增加乘性减少 晟大分组大小 迁移t c p 最大传输单元 网络仿真器2 网络时间协议 比例比例积分控制器 服务质量 随机早期检测 随机指数标记 一种r e d 改进算法 一种再励性a q m 机制 重传超时 实时传输协议 往返时延 接收窗口 选择性应答 一种r e d 改进算法 传输控制协议 t c p 友好速率控制 用户数据报协议 最坏公平加权排队 加权公平排队 加权r e d 算法 加权轮询 显式的拥塞控制协议 原创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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它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做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：傩期：丝年l 月血日 关于学位论文使用授权说明 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，允许论文被查阅和借阅i 学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：型鸣师签名：蝴 日期：2 丝年j l 月卫日 博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了论文研究的背景和意义，阐述了当前研究现状，然后叙述 了本文的研究目标与内容，最后给出了全文的内容安排和结构图。 1 1 研究背景与意义 自1 9 6 9 年美国国防部创建第一个分组交换网a r p a n e t 以来，经历了不断 的改进与发展，由军用和教育科研的单个专用网络发展成为全球范围内所有网 络互连的因特网，计算机网络因此发展到一个更高的层次。网络用户急剧增加， 网络规模不断增大，网络服务日益丰富，网络流量更是呈现爆炸性增长，整个 社会和国家以及个人都享受到因特网带来的巨大好处，通过因特网可以实现高 效的管理以及信息传递和电子商务，人们可以自由地使用网络电视、看阅新闻、 聊天、i p 电话等服务，现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。 然而人们对网络的需求仍在不断地增长，希望能够在任何时间、任何地点 以任何方式自由地使用因特网，希望能够摆脱对网络线的束缚。无线网络由于 无需网线连接，终端具有移动性，能方便快捷地连接因特网共享信息资源特点， 因而广受人们的欢迎。无线通信和无线网络技术因此迅速发展起来，成为互联 网的重要组成部分，并且和有线网络有机融合构建成一个无缝的通信服务的平 台。无线网络由于其使用的技术、应用的范围不同，形成包括蜂窝网络、卫星 通信网、无线局域网广域网、移动自组网( m a n e t ，m o b i l e a d h o c n e t w o r k s ) 、 传感器网络( s e n s o r n e t w o r k s ) 等无线网络类型【1 h 羽，尤其3 g 的热潮正在兴起， 各种移动通信设备将基于i p 网络实现各种服务，无线网络具有广阔的发展前景 和市场空间，无线网络和有线网络必将有机融合，图1 1 显示了有线无线网络 互连和共享资源的一种模式。 虽然计算机的处理能力按摩尔定理在增长，网络带宽容量按超摩尔定理的 光纤定理发展，但始终没有办法满足人们对网络带宽的需求。目前，网络带宽 到桌面已经达到1 0 0 m b p s ，1 0 0 0 m b p s 甚至更高，但是在骨干网的瓶颈链路即使 是1 0 0 g b p s ，t b p s 级往往都不能满足网络流量的要求。网络拥塞已经不是简单 地通过升级网络设备，增加网络带宽所能解决的问题，应当采用适当的拥塞控 制策略使得网络用户能够充分利用现有的网络资源。因此，网络拥塞控制问题 博上学位论文 第一幸绪论 一直以来就是网络研究中最为重要领域，也是网络研究的热点，在有线网络的 拥塞控制方面已经取得了许多的成果，最为典型的基于t c p ，i p 协议的拥塞控制 方案，它能够有效地保证数据的可靠传输。 图1 1 有线无线混合网络互连结构图 然而，由于无线网络链路易受环境影响、随机比特出错率高，网络延迟长、 双向带宽不平衡、终端主机移动等，具有许多与有线网络不一样的特征，直接 将有线网络中的拥塞控制技术应用于有线无线混合网络中，却不能很好地工 作。因此，有线无线混合网络的拥塞控制问题成为能否提供高效的因特网服务， 博士学位论文 第一章绪论 保障网络服务质量，实现移动计算、普适计算，成功实施下一代互连网的关键 问题之一。其引起了全世界各大公司和研究机构的高度重视，也形成了系列的 研究成剁1 h 3 2 1 ，主要表现在无线网络链路层改进【4 h 8 1 、分段连接技术酬10 1 、端 到端解决方案“【2 ”和多层混合解决方案口2 】 【2 射。本文的研究工作主要致力于解 决有线无线混合网络中的拥塞控制问题，提高网络的利用率，改善网络性能。 1 2 研究现状 拥塞控制是网络服务质量体系的一部分，在a t m 网络中由于采用建立虚通 道和采用虚电路交换的方式传输数据，能较好地实现拥塞控制，保证服务质量 ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。近年来，人们对移动计算和无线服务的需求不断增 加，为保障提供高效可靠的网络服务，有线网络和无线网络必须有机融合，构 建一个服务的载体和平台。然而，混合网铬具有有线网络的相对可靠数据传输 和无线网络随机错误率高、链路不对称、受环境影响大以及高带宽延迟乘积等 特点，对现有的网络传输控制体系和拥塞控制机制提出了挑战。目前，国内外 研究者主要从以下几个方面进行研究： 1 ) 拥塞控制理论及数学建模的研耕3 7 卜【4 9 1 。在拥塞控制理论建模方面有英 国剑桥大学f r a n kk e l l y 分别利用对偶理论( d u a l i t yt h e o r y ) 和微观经济学市场 影子价格理论【3 7 】【3 8 1 将网络优化问题分解为非线性规划的原问题和对偶问题，对 网络的平衡状态和动态行为进行建模，分析了网络性能、公平性和稳定性的特 点，为网络优化和拥塞控制提供了理论的依据；加州理工学院s h l o w 利用对 偶理论【3 9 】【4 0 】对t c p r e d 算法采用投影梯度方法( p r o j e c t i o ng r a d i e n tm e t h o d ) 探 讨了网络最优化问题，针对模型提出了网络优化的算法。文献【4 0 】对当前的t c p 协议及各种变体结合r e d 算法基于多个链路和多个源节点的互联网条件下建模 分析了t c p r e d 的动态特征，求解了其稳定的范围。到目前为止，没有相关理 论描述带延迟的分布式非线性反馈系统在不稳态下的行为，对于无线网络环境 下协议算法的理论研究比较少，文献 1 】对无线网络往返延迟、流量和拓扑等进 行了分析，文献【1 3 】对无线自组织网络中t c p 稳定性进行分析并提出了改进方 案。已有的理论成果可以为设计新的算法提供参考，而设计新的无线网络的协 议和算法要求我们进一步从理论上研究拥塞状态下的网络行为。 2 ) t c p 协议的加性增加和乘性减少( a i m d ) 滑动窗口机制的改进研究