高速TCP-IP網(wǎng)絡擁塞控制算法研究.pdf

1、隨著計算機網(wǎng)絡的廣泛應用，用戶對網(wǎng)絡資源的需求日益增加，互聯(lián)網(wǎng)傳輸流量急劇增長，以致現(xiàn)有網(wǎng)絡帶寬和緩存容量等硬件資源難以滿足業(yè)務流增長的需要，由此引發(fā)的網(wǎng)絡擁塞不可避免地成為制約網(wǎng)絡發(fā)展和應用的重要瓶頸。網(wǎng)絡擁塞造成擁塞窗口大小及瞬時隊列長度的穩(wěn)定性和響應速度等性能嚴重降低，從而無法確保較好的網(wǎng)絡服務質(zhì)量。因此，擁塞控制已成為近年來網(wǎng)絡通信領域重要的研究熱點，而引入控制理論的原理和方法來研究擁塞控制提高網(wǎng)絡性能成為國際學術和工程界交叉學

2、科探討的前沿問題。
　　 互聯(lián)網(wǎng)絡上95%工作的業(yè)務數(shù)據(jù)流采用的是傳統(tǒng)的傳輸控制/網(wǎng)絡互聯(lián)（TCP/IP）協(xié)議，國內(nèi)外科研工作者針對TCP/IP協(xié)議提出了一些優(yōu)秀的擁塞控制策略，如著名的FAST TCP策略。與傳統(tǒng)的基于丟棄分組的傳輸控制策略不同，F(xiàn)AST TCP實時記錄發(fā)送數(shù)據(jù)分組狀況和接收到確認（ACK）的系統(tǒng)時間，根據(jù)網(wǎng)絡傳輸時延的變化判定網(wǎng)絡擁塞的狀態(tài)，進而調(diào)控發(fā)送端發(fā)送速率，使網(wǎng)絡擁有更好的穩(wěn)定性和更快的傳輸速率。然而

3、，當FAST TCP運行狀態(tài)與期望的穩(wěn)定狀態(tài)存在較大差距時，網(wǎng)絡系統(tǒng)將發(fā)生窗口大小劇烈變化、緩沖隊列外溢和數(shù)據(jù)包傳輸延遲過大等問題。為此，針對這些存在的關鍵科學與技術問題，開展了以下幾個方面的研究工作：
　　 (1)針對FAST TCP網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，提出一種基于分段函數(shù)的擁塞控制策略（Wired/Wireless Transmission Control Protocol，WTCP）。WTCP策略設計了一種網(wǎng)絡數(shù)學模型，

4、給出了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南嗨泼枋?。應用控制理論原理和方法，分析了WTCP策略的穩(wěn)定性。理論分析和仿真結果表明，WTCP策略的擁塞窗口大小和瞬時隊列長度在網(wǎng)絡有/無猝發(fā)流傳輸情況下均較FAST TCP具有較強的魯棒性。
　　 (2)研究了網(wǎng)絡關鍵參數(shù)調(diào)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。提出基于關鍵參數(shù)調(diào)節(jié)的擁塞控制策略，應用勞斯-赫爾維茨判據(jù)（Routh-Hurwitz）穩(wěn)定判據(jù)和李亞普諾夫（Lyapunov）穩(wěn)定性理論進行分析，證明了該策略的穩(wěn)定性

5、，并且確定了關鍵參數(shù)的最優(yōu)取值區(qū)間。理論分析和仿真結果表明，基于關鍵參數(shù)調(diào)節(jié)的擁塞控制策略不僅提升了網(wǎng)絡性能，而且其參數(shù)調(diào)節(jié)方法為現(xiàn)實路由器和交換機等網(wǎng)絡設備的配置提供了科學依據(jù)。
　　 (3)研究了FAST TCP擁塞窗口大小的漸近穩(wěn)定性。針對FAST TCP運行狀態(tài)與期望平衡狀態(tài)存在較大差距時，擁塞窗口大小發(fā)生較大變化，可能導致緩沖隊列外溢以及數(shù)據(jù)包傳輸時延過大等問題，提出一種擁塞控制優(yōu)化策略，應用Lyapunov第二方法分

6、析、證明了該策略的漸近穩(wěn)定性，并推導出維持其漸近穩(wěn)定的充分必要條件。理論分析和仿真結果表明，該擁塞控制優(yōu)化策略提高了擁塞窗口大小的漸近穩(wěn)定性，避免了緩沖隊列的溢出。
　　 (4)研究了一種大時延動態(tài)網(wǎng)絡的擁塞控制策略。充分利用Smith原則能夠補償大時延對網(wǎng)絡緩沖隊列長度造成的不良作用以及模糊控制不必建立精確數(shù)學模型即可實行較好調(diào)控的特點，提出基于Smith原則和模糊控制的擁塞控制策略。通過選擇適當?shù)暮瘮?shù)，應用Lyapunov穩(wěn)