顯式擁塞控制協(xié)議研究及其穩(wěn)定性分析.pdf

1、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)時代的到來,翻開了人們生活方式的新篇章。互聯(lián)網(wǎng)世界逐漸發(fā)展壯大,人們的生活需求也在不斷的變化。進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代,高速數(shù)據(jù)(如視頻流等)傳輸、特定數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)成為主流,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也因此發(fā)生了相應(yīng)的改變。隨著新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的出現(xiàn),以及網(wǎng)絡(luò)世界呈現(xiàn)出的高帶寬時延積特性,擁塞控制再次成為人們的重要關(guān)注點。而傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機制在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的驚濤駭浪中顯示出很多性能上的不足。
　　針對出現(xiàn)的問題,很多中外學(xué)者對

2、新環(huán)境下的擁塞控制機制進(jìn)行了大量的研究,一部分學(xué)者進(jìn)行了基于源端擁塞控制算法的研究,在原TCP協(xié)議上進(jìn)行改進(jìn)研究,取得了一定的成果。而另一部分學(xué)者則提出了基于鏈路的控制方法,在路由器中加入擁塞指示的反饋,將中間通信網(wǎng)絡(luò)引入到整個擁塞控制機制中,使得數(shù)據(jù)發(fā)送端能夠顯式地接收當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況信息。經(jīng)過大量實驗以及理論分析,顯式擁塞指示愈來愈體現(xiàn)出其優(yōu)越性。而其中的XCP協(xié)議,以其表現(xiàn)出的高性能而獲得學(xué)者的青睞,成為新網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

3、的新趨勢。
　　本文對擁塞控制的基本原理進(jìn)行了講述,理解傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議的工作原理,并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化對TCP協(xié)議進(jìn)行了重新評價。隨著高帶寬時延積網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與發(fā)展,TCP協(xié)議不能保持系統(tǒng)工作的高效率性,從而無法快速高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。同時,由于多種應(yīng)用需求的出現(xiàn),數(shù)據(jù)流的公平性要求逐漸升高,而傳統(tǒng)TCP協(xié)議無法很好地實現(xiàn)對每條數(shù)據(jù)流的公平分配,這成為TCP協(xié)議在新網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)展的瓶頸。除此之外,高帶寬時延積網(wǎng)絡(luò)中的TCP

4、協(xié)議無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使得網(wǎng)絡(luò)容易陷于抖動之中,很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞,甚至崩潰。傳統(tǒng)的擁塞控制在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中遇到了挑戰(zhàn),而顯式擁塞指示的出現(xiàn)讓學(xué)者們找到了新的研究方向。本文對顯式擁塞指示進(jìn)行了詳細(xì)講解,以便于理解XCP協(xié)議的發(fā)展背景。同時,本文還對系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定定理進(jìn)行了一定的講解,以便于對XCP協(xié)議系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。
　　本文詳細(xì)描述了XCP協(xié)議的工作原理,從宏觀的角度整體掌握了XCP協(xié)議的工作流程。支持XCP協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)

5、送端將帶有擁塞信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中,中間通信網(wǎng)絡(luò)的路由器接收到數(shù)據(jù)包之后,根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況修改數(shù)據(jù)包中的擁塞信息,數(shù)據(jù)包到達(dá)目的端,目的端將數(shù)據(jù)包中最終的擁塞信息以反饋信息的方式發(fā)送給發(fā)送端,發(fā)送端根據(jù)反饋信息了解到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況,并以此來調(diào)整下一周期的發(fā)送速率。要完成這一系列的控制工作,需要在數(shù)據(jù)包中加入存放擁塞信息的擁塞控制頭,路由器在估算出當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況后修改該頭結(jié)構(gòu)內(nèi)的信息。作為 XCP協(xié)議的關(guān)鍵參與部分,XCP路由器的工

6、作主要分為保證效率性和公平性兩部分,分別由效率控制器和公平控制器來完成。
　　本文重點從XCP協(xié)議中資源利用的角度進(jìn)行了分析,通過了解資源計算對資源利用的重要性,分別從參數(shù)分析以及帶寬補償兩方面進(jìn)行資源分析方法的講解。效率控制器中的參數(shù)變化對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了影響,通過調(diào)整參數(shù)的選擇方式可以進(jìn)一步調(diào)高算法的資源利用率,并保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及收斂性。帶寬補償是另一種改善資源計算的方式。通過對控制器的重新調(diào)整,在原控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行

7、改進(jìn),從而提升整個機制的性能。除此之外,本文提出了一種新的計算網(wǎng)絡(luò)資源的方法,除每個控制周期計算的可分配資源外,增加一部分帶寬資源,減輕了原算法保守的特性。同時,新算法將帶寬重洗考慮在內(nèi),更加符合實際情況。實驗仿真顯示,新算法能夠更充分的利用網(wǎng)絡(luò)資源,并能夠保證系統(tǒng)在閾值范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。
　　本文在對XCP協(xié)議進(jìn)行分析、仿真以及改進(jìn)之后,從控制論的角度對XCP協(xié)議進(jìn)行了理論分析。利用常微分方程描述系統(tǒng),隨后利用李亞普諾夫方法,分別