ECN擁塞控制算法研究

1、南京郵電人學(xué)碩士研究生學(xué)位論文摘要摘要在因特網(wǎng)中，近總字節(jié)數(shù)的9 5%采用tcp進(jìn)行傳輸，tcp端到端的擁塞控 制策略對(duì)internet的魯棒性和穩(wěn)定性具有重要的作用，擁塞控制一直是網(wǎng)絡(luò)研究 領(lǐng)域的熱點(diǎn)z。本文首先討論了網(wǎng)絡(luò)擁塞的成因，給出了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法性能的基本評(píng)價(jià)方法, 從多個(gè)角度對(duì)擁塞控制算法進(jìn)行分類；接著詳細(xì)介紹'tcp擁塞控制源算法的演進(jìn), 并針對(duì)兒種經(jīng)典的tcp源算法做了比較研究。tahoe、 reno等tcp擁塞控制源 算法通過檢測(cè)丟包（收到重復(fù)確認(rèn)包或重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)）推斷擁塞，但是這種方法容易造成經(jīng)過同一路由 器的連接發(fā)生全局同步：另外，tcp會(huì)對(duì)具有較長rtt的連

2、接產(chǎn)生偏見，造成占用瓶 頸鏈路帶寬的不公平。針對(duì)tcp源算法的弊端，研究者認(rèn)為最有效的擁塞檢測(cè)位置在網(wǎng)關(guān)，網(wǎng) 關(guān)可提供顯式擁塞信息，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也要求網(wǎng)絡(luò)本身必須參與其資源的控制，于是提出了基于 中間設(shè)備的i p鏈路算法，如d e c- b i t、ecn、a e c n和b e c n等。本文對(duì)這些算法進(jìn)行了探討，并將提供顯式擁塞信息的算法歸于顯式擁塞控制算 法，做了深入的研究，在e cn和becn的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的e cn算法c m ecno o cme cn算法能更早更可靠地進(jìn)行擁塞通知，降低丟包率，提高吞吐量，縮短端到端時(shí)延，減少隊(duì)列 長度的波動(dòng)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過多逆向流量。因?yàn)閾砣?/p>

3、制鏈路算法與隊(duì)列管理和調(diào)度機(jī)制 密切相關(guān)，所以木文簡(jiǎn)單討論了隊(duì)列管理算法和調(diào)度算法，介紹了一種典型的主動(dòng)隊(duì)列管理 算法r e d o最后，木文通過仿真實(shí)驗(yàn)，分析了re no、red、e c n和cmecn算法 的性能，同時(shí)也驗(yàn)證了所給出的改進(jìn)方案cmecn的有效性。南京郵電人學(xué)碩士研究生學(xué)位論文a b s t r a c tabstractas1ntheinterne t , a1 m o s 1i95%oftotalbytesweretransm1tte dbytcpand1t1svery1mp0rtantthatatcpen d t o endc0ngest10nc0ntr011sused

4、forlnternetsr obu stne ss andstab111tyc0ngest10nc0ntr01hav1ngbeenah0tsp0t1nn e tworkresea r c h re a1m atf is tth1sthes isd1scussesth ere a so nsthatresu1t1nne two rkc0ngest10n,11stss0mebas1cme tho d st 0eva1uatenetw0rkc0ngest10nc0ntr01a1g0r1thms'p erform anceandc1ass1fi esthec0ngest10nc0nt01a1g

5、0r1thmsfr0msevera1aspectsaft ert h at ,th1sthes1si n 1t :r o d uc e st heev01m10n0ftcpc0ngest10nc 0nt r o1 s0urcea1g0r1thms ,severalclassicala1g0rthms0fthem werec0mparedandresearched tcpc0ngest10nc0ntr01sour (? <ea1g0r1thms ,suchalstah0e9ren0 ,etc1nferc0ngest10n thr0ughpaekelossdetect ing (receiv

6、eddupl i c a t e ackpacketsorretransmittimeout),th1s10ss detect10n m echan1s m ispr0net0causeag10ba1sy n chr0n1zat i on0fthe f 1o w s a c r os sthesamer0uterbes1desthese1ssuestcpa1s0hasa b iasaga1nstc0nnecti o nw1th10ngerr0undtr1pt1meswhi c hresu1tsi n unfa1rshar1ngoftheava11a b 1ebandw i dt h o f a

7、 b ottlenecklink. toresolvetheproblemoftcpsourcea 1 g o r i t h m s , researchersreal izedthatt hemosteffect ivedetect i o n o fc0ngest10ncan0ccur1nthegateway1tse1fgatewaycanpr0v1deexp11c1tc0ngestioninf ormation ,andw1ththenetw0rkdeve10pmentthenetw0rkmustpart1c1pate1nc0ntr0111ng1ts0wnres0urceut111za

8、t10n .conseq u ent1y,th eip11nka1g0r1thmswh1chbasedo ni n termed1ateequ1pmentswerepr0p0sedsu chasdecb1te c n,a e c nb e c net cth1sthes1sd is c usse s thesea1g0r1thmsw1thdeta11andc at e g0ri z esthea1g0r1th m w h ic hsupp1y1ngex p1 i c1tcongest i0ninformati onasexp11c1tc0n ge s t10nc0ntr01a1g0r1thmt

9、 he n make adeep1yresea rc h ,pro p 0sesa n1m pr0vede cna1g or1th mcmecn b asedonecnan d b e c n.cme c na1g 0r1th mcan n0t1f icatec0n gesti onear 11era nd m o r e r e1 i a b 1 e , i ta 1 socanredu cep acket10s s91mp ro v e t h ro u g h p u t , shortenetede1 ayre du c e q u e ue f 1 u c t u a ti o n

10、and e 1 im ina teunn ecess ar y i s qrev ersetra ff1c then, q u euemanagementand sched u1 ea1g or1th mswer e1nt r0duc edbri ef1ybec auseo ftheirc10se1yre1at1o n w i t hc0ngest ioncontrol 1 inkag0r1th s final 1 y ,th1sthe s i sana1yze stheperf0rm a n c e0fren0re d , ecna ndcmecn validatestheenancede

11、c nshem eus1ngs1mu1at i o n 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文屮特別加以標(biāo)注和致謝的 地方外，論文屮不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包 含為獲得南京郵電大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：簽塑星日期：鯊三：笙多南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京郵電大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其 他復(fù)

12、制手段保存論文。木人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一 致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布（包描刊登）授權(quán) 南京郵電大學(xué)研究生部辦理。研究生簽名：守糾多導(dǎo)師簽名： 南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要學(xué)科、專業(yè)：工學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究方向：計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)間互連技術(shù) 作題2 0 0 4級(jí)研究生寧相軍0： ecn擁塞控制算法研究英文題目：theresea rchonecn 指導(dǎo)教師楊庚conges t ionc o n t r o 1a 1 g o r i t h m s主題詞：擁塞控制窗口機(jī)制源算法鏈路算法顯式擁塞通知隊(duì)列管理keyw

13、0rdsc0ngest10nc0ntr01w in <i o w-basedmechani s ms0urcea1g0r1thm11nka1g0r1thmexp11c1tc0ng e st i o nn0t1f1cat10nqueuemanagement南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文引言引言2 1世紀(jì)是以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)化、信息化和數(shù)字化正從整體上引導(dǎo) 著世界經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程，以網(wǎng)絡(luò)化為重要內(nèi)容的信息技術(shù)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的 關(guān)鍵因素。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及全球信息高速公路的日臻完善，人類的生活形態(tài) 和工作模式已出現(xiàn)了很大的改變，這種改變將繼續(xù)進(jìn)行，深刻而全面地影響人類社

14、會(huì)的未 來。就近幾年來說，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大，依靠擁塞控制作 為魯棒性保證，以tcp/ i p為基礎(chǔ)的i n t e r n e t呈爆炸式增長，逐漸發(fā)展 成為全球性的信息基礎(chǔ)設(shè)施。隨著新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)和用戶數(shù)量的迅速增加，使得interne t的流量急劇增長，數(shù)據(jù)流的木質(zhì)也開始發(fā)生變化，其屮除了傳統(tǒng)的ftp、t e 1 n e t . htt p等數(shù)據(jù)流外，還出現(xiàn)了人量的實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)流，由于網(wǎng)絡(luò)中不同的數(shù)據(jù)流在路由器處交匯，因而 給網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)造成很人的負(fù)擔(dān)，越來越嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題逐漸暴露出來。同時(shí)，基 于udp (us e rdatagramprotoco

15、l)協(xié)議的實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用如i p電話、視頻 會(huì)議等開始成為網(wǎng)絡(luò)中的重要應(yīng)用，由于這些數(shù)據(jù)流不遵守tcp協(xié)議，如果它們不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞做出正確響 應(yīng)，將會(huì)造成競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源不公平現(xiàn)彖，甚至使網(wǎng)絡(luò)面臨擁塞崩潰的危險(xiǎn)。事實(shí)上，擁塞控制一直是網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)z-o多年來，人們已經(jīng)對(duì)擁塞控 制進(jìn)行了大量研究，提出或改進(jìn)了多種多樣的擁塞控制算法，致使現(xiàn)在的tcp實(shí)現(xiàn) 版本不少于2 0 0多種，屮間鏈路設(shè)備上的擁塞控制機(jī)制也層出不窮。這一方面表明tcp /ip擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題，另一方而也說明tcp/ i p擁塞控制仍然沒有 得到很好的解決。新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使網(wǎng)絡(luò)的界構(gòu)性進(jìn)一步加人，已有

16、的擁塞控制算法的 弊端會(huì)逐步顯露，更需對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn)。另外，目前己有越來越多的移動(dòng)用戶通過無線 網(wǎng)絡(luò)接入internet,但由于無線通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)固有的特點(diǎn)，使得擁塞控制的研 究更加困難，極具挑戰(zhàn)性。本文對(duì)擁塞控制進(jìn)行了較為深入的研究，首先討論了網(wǎng)絡(luò)擁塞的成因，給出了網(wǎng) 絡(luò)擁塞控制算法性能的基木評(píng)價(jià)方法，從多個(gè)角度對(duì)擁塞控制算法進(jìn)行分類：接著主 要探討了兒種經(jīng)典的擁塞控制算法，重點(diǎn)對(duì)顯式擁塞通知算法進(jìn)行研究，分析了算法的局 限性及存在的問題，并討論了與擁塞控制密切相關(guān)的隊(duì)列管理算法和調(diào)度算法；將主動(dòng)隊(duì) 列管理、e c n和eecn相結(jié)合，提出一種改進(jìn)的e cn算法cmecn。最后本文對(duì) re

17、no、red、e c n 和cmecn 進(jìn)行了仿真研究分析。南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章緒論第一章緒論1 . 1研究的背景及必要性近十兒年i t技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用，internet得到突飛猛進(jìn) 的發(fā)展，擁塞控制機(jī)制是其魯棒性(robus tries s )的關(guān)鍵因素。在最初的傳輸控制協(xié)議中只有流量控制(flowcontrol)而沒有擁寒控制(congest i o ncontrol),靠接收端通告的t c p報(bào)頭中窗口人小字段值限制發(fā)送端發(fā) 送速率。這種只考慮接收端接收能力而不考慮網(wǎng)絡(luò)的傳輸承受能力的控制機(jī)制，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)擁塞崩 潰(conge s t i o n c o 1

18、 1 apse)的發(fā)生【11。1986 年 10 月 因特網(wǎng)首次出現(xiàn)了擁塞崩潰后，在擁塞控制領(lǐng)域便展開了大量的研究工作。由于最初設(shè)計(jì)的interne t是非面向連接的分組交換網(wǎng)絡(luò)，不對(duì)業(yè)務(wù)分組 加以區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)的承諾是盡自己最大的努力傳輸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的每一分組，無法給出一個(gè)定量的 性能指標(biāo)，如吞吐量、分組丟失率、端到端時(shí)延等參量的界限。相應(yīng)地，用戶也無需進(jìn) 行業(yè)務(wù)許可請(qǐng)求，因此，網(wǎng)絡(luò)的性能除本身外，還受用戶施加的負(fù)載影響。這種網(wǎng)絡(luò)體系 結(jié)構(gòu)缺乏一定的隔離和保護(hù)機(jī)制，但建立在這種體系結(jié)構(gòu)上的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具 有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性【2】。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型也不斷增加，尤其是音 頻、

19、視頻等多媒體業(yè)務(wù)在i p網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型的建立也越來越重要。而業(yè)務(wù)體系 結(jié)構(gòu)技術(shù)的核心都需要在恰當(dāng)?shù)膶哟魏土６壬蠈?duì)流量進(jìn)行必要的管理，包括接納控制、流 量成型、隊(duì)列管理、調(diào)度和擁塞控制等諸多方面，但最基本和最核心的依舊是擁塞控制， 因?yàn)閷?duì)于一個(gè)時(shí)?？赡馨l(fā)生擁塞月無法及時(shí)加以解決的網(wǎng)絡(luò)來說，實(shí)現(xiàn)良好的q o s保證 將無從談起。而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，更多的用戶使用網(wǎng)絡(luò)屮的資源，網(wǎng)絡(luò)屮業(yè)務(wù)流種 類呈現(xiàn)多樣性。除了we b、 f r p . t e 1 n e t等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)流外，r卩時(shí)通訊、v 0 i p、i p t v技術(shù)的應(yīng)用，使音頻、視頻等多媒體業(yè)務(wù)流也呈增長趨勢(shì)。由于網(wǎng)絡(luò)中不

20、同的數(shù)據(jù)流在路 由器處交匯，雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬、路由器的處理能力和緩存等資源在不斷增加，但與日益增長 的用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)流相比起來，仍然不能滿足用戶的需求，網(wǎng)絡(luò)擁塞問題一直威脅著網(wǎng)絡(luò) 的魯棒性，已經(jīng)成為制約網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。如何更好地預(yù)防和控制擁塞，使網(wǎng)絡(luò) 在具有低丟包率和低時(shí)延的同時(shí)達(dá)到資源的最大效用，是近年來網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)流量分布的不均衡性，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的數(shù)量和 種類也日益增加，不同數(shù)據(jù)流類在共享網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的行為，一種“惡意'' 的數(shù)據(jù)流會(huì)彩響其它良好行為流，造成不公平現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。不同種類的 數(shù)據(jù)流對(duì)2南京郵電大

21、學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第一章緒論擁塞的響應(yīng)不同，非響應(yīng)流會(huì)加劇擁塞，若不加以控制將最終導(dǎo)致?lián)砣罎?。?控制擁塞所設(shè)計(jì)的擁塞控制機(jī)制的主要口標(biāo)是控制進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，保證通信網(wǎng)絡(luò)不 會(huì)被用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)流阻塞，并合理地使用瓶頸資源，但其實(shí)際效果很人程度上依賴丁數(shù) 據(jù)流源端的響應(yīng)。擁塞控制算法的分布性、網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和對(duì)擁塞控制算法的性能要求乂 使擁塞控制算法的設(shè)計(jì)具有很高的難度。到目前為止，擁塞控制問題還沒有得到很好的解 決【3 1 ,需要我們進(jìn)一步研究探索。12 inter net的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)in terne t采用開放互連體系結(jié)構(gòu)，以其為依據(jù)開發(fā)的tcp / i p協(xié)議 簇成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的基

22、石，有力地推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。可以說擁塞的發(fā)生是i p網(wǎng)絡(luò)的固有屬性, internet的成功很大程度上取決于擁塞控制的有效執(zhí)行，而網(wǎng)絡(luò)中的擁塞與網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié) 構(gòu)有著密切聯(lián)系，以下將對(duì)i n t e r n e t的體系結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)單介紹。internet的體系結(jié)構(gòu)有如下兒個(gè)特點(diǎn)h ：第一，采用報(bào)文交換，通過共 享提高了資源的利用效率但在共享方式下，如何保證用戶的服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)很棘手的問題，在 報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)報(bào)文“亂序”現(xiàn)象，對(duì)亂序報(bào)文的處理增加了端系統(tǒng)的復(fù)雜性；第 二，采用無連接方式，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)上不需要保存和連接有關(guān) 的狀態(tài)信息，但是使用無連接方式難以引入“接

23、納控制"算法，在用戶需求犬于網(wǎng)絡(luò)資源時(shí) 難以保證服務(wù)質(zhì)量，在無連接模型中對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送源的追蹤能力很差，給網(wǎng)絡(luò)的安全帶來 了隱患，這也是網(wǎng)絡(luò)中亂序報(bào)文出現(xiàn)的一個(gè)主要原因；第三，采用“盡力而為''的服務(wù)模型, 即網(wǎng)絡(luò)不對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量提供保證，這個(gè)選擇和早期網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有關(guān)，但 這不能很好地滿足新出現(xiàn)的多媒體應(yīng)用的要求，這些應(yīng)用對(duì)延遲、速率等性能的變化比較 敏感。internet的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成了亂序報(bào)文的產(chǎn)生，其盡力傳輸?shù)奶攸c(diǎn)也 造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，使得報(bào)文丟失，數(shù)據(jù)段的重傳乂進(jìn)一步加重網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。耍解決網(wǎng)絡(luò)擁塞必 須依據(jù)具體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行。13網(wǎng)絡(luò)流量的分類及其特點(diǎn)隨著i

24、n t e r n e t的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的數(shù)量也逐步增加，數(shù)據(jù)流的 種類也有所增力口，流量的性質(zhì)發(fā)生了很人的變化。不同性質(zhì)的流在競(jìng)爭(zhēng)帶寬時(shí)會(huì)彼此產(chǎn)生一些 影響，導(dǎo)致出現(xiàn)不公平等現(xiàn)象。結(jié)果可能使得網(wǎng)絡(luò)的丟包率增高，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生擁塞崩 潰，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生很大的影響。因此，分析不同流量的特點(diǎn)和可采用的擁塞控制手段， 對(duì)預(yù)防和解決擁塞具有重要意義。以下對(duì)現(xiàn)有的i p網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分類并結(jié)合擁塞控制進(jìn) 行分析。首先，從傳輸層協(xié)議的角度講，網(wǎng)絡(luò)流量分為t c p （ t r a n s m i s s i o n c o n t r o 1 p r o t o c o 1 o3南京郵電大學(xué)碩士研

25、究生學(xué)位論文第一覃緒論傳輸控制協(xié)議）流和u d p （use rdatagramprotocol,用 戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）流。tcp流指利用tcp協(xié)議建立tcp連接所傳送的數(shù)據(jù)流，女i t e 1 n e t、ftp、sm tp、w w w服務(wù)等所傳送的數(shù)據(jù)流。tcp是可靠的、面向連接的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用一對(duì)套接字（由主機(jī)i p地址 和該主機(jī)上的tcp端口號(hào)組成）來識(shí)別連接，使用帶重傳的肯定確認(rèn)技術(shù)作為提供可靠性的 基礎(chǔ)，使用滑動(dòng)窗口機(jī)制來控制流速。對(duì)于t c p流而言，可以采用多種t c p擁塞控制機(jī) 制進(jìn)行管理。u d p流指采用udp協(xié)議傳送的數(shù)據(jù)流，女isnmp、多媒休流等，udp使用底 層

26、的internet協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)z間傳輸報(bào)文，提供和i p樣的不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)交付服務(wù)，不使用 確認(rèn)來確保報(bào)文的到達(dá)，沒有對(duì)傳入的報(bào)文排序，也不提供反饋信息來控制機(jī)器之間信息的 流動(dòng)速度。因此，udp報(bào)文可能會(huì)出現(xiàn)丟失、重復(fù)、或亂序到達(dá)的現(xiàn)象，分組到達(dá)的速率 也可能大于接收進(jìn)程能夠處理的速率。使用u d p的應(yīng)用程序要承擔(dān)可靠性方面的全部工作, 包括處理報(bào)文的丟失、重復(fù)、時(shí)延、亂序以及連接失效等問題【5 1 o對(duì)u d p流的控制 主要依靠網(wǎng)絡(luò)鏈路上中間節(jié)點(diǎn)的增強(qiáng)功能實(shí)現(xiàn)。其次，從對(duì)擁塞的響應(yīng)角度來看，可分為響應(yīng)流(respons iveflo w)和非響應(yīng)流(non一re s pons i

27、 v e f 1 o w )兩大類。響應(yīng)流采用擁塞控制算法，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞后采取措施減小注入網(wǎng)絡(luò)的流量，以 緩解擁塞，采用tcp擁塞控制機(jī)制的tcp流就屬于響應(yīng)流；響應(yīng)流包括tcp兼 容流和t c p非兼容流。1. tcp 兼容流(t c p c o m p a t1 b 1 e f 1 o w )t c p兼容流與t c p流類似，采用了端到端的擁塞控制策略，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)提供 的丟包或擁塞指示信息做出響應(yīng)，調(diào)整自己的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。在相同條件下，處于穩(wěn)定階段 時(shí)，tcp兼容流不會(huì)l i s tc p流占用更多的額外帶寬。這類流量嚴(yán)格地執(zhí)行t c p標(biāo) 準(zhǔn)，因而可以采用主動(dòng)隊(duì)列管理技術(shù)進(jìn)行有效控制

28、。2 tcp非兼容流(tcpuncompatibl eflow)t c p非兼容流雖然響應(yīng)擁塞指示，但由于應(yīng)用程序沒有嚴(yán)格地執(zhí)行t c p標(biāo)準(zhǔn), 因而與標(biāo)準(zhǔn)tcp流是不兼容的。這類流量與其它tcp兼容流共享帶寬時(shí)，將會(huì)不公平 地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。這種流是在internet發(fā)展過程屮產(chǎn)生的不h j t c p執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)造成的。 在開放的環(huán)境下，有些應(yīng)用根本不執(zhí)行t c p擁塞控制機(jī)制，而有些則比其它t c p執(zhí)行占用更多的帶 寬，聲稱所謂的“快速tcp覽 此外，有的還通過使用多個(gè)tcp連接來獲取更多帶寬，例如某 些w e b瀏覽器在瀏覽we b 1艮務(wù)器時(shí)同時(shí)建立多個(gè)連接以加快瀏覽速度，還有一些多線程

29、的f 1 ' p工具等，這些應(yīng)用所產(chǎn)生的流量同樣會(huì)不公平地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。非響應(yīng)流是一種不對(duì)丟包率的增加作出響應(yīng)減小其對(duì)路由器施加的負(fù)載的數(shù)據(jù)流 【61。非響應(yīng)流不采用端到端擁塞控制算法，即使在出現(xiàn)嚴(yán)重丟包時(shí)也不會(huì)降低數(shù)據(jù)的 傳輸速4南京郵電人學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一葷緒論度。非響應(yīng)流的這種“不良行為“會(huì)造成兩種問題，其一是非響應(yīng)流影響“行為良 好“的響應(yīng)流，造成帶寬饑餓(bandwidthstarvat ion)；其二是 使網(wǎng)絡(luò)忙于傳送未到達(dá)最終tl的地就被丟棄的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞崩潰。目前i n t e r n e t中不斷增加 的基于u d p的應(yīng)用如音頻、視頻傳輸?shù)萿dp流都

30、屬丁非響應(yīng)流。如果不采取有效措施，這類流將 導(dǎo)致新的擁塞崩潰。通常情況下，所有的基tudp流的應(yīng)用都應(yīng)在應(yīng)用層采取相應(yīng)的擁塞 控制機(jī)制。但事實(shí)上，為了追求應(yīng)用效率，許多udp流在應(yīng)用層未采用相應(yīng)的控制措施。 因此，網(wǎng)絡(luò)如何保護(hù)自身的資源、有效地控制非響應(yīng)流是很重要的，并可借以促使非響應(yīng)流 應(yīng)用采用相應(yīng)的擁塞控制機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)資源的公平使用。顯然，非響應(yīng)流和非t c p兼容流對(duì)inter net的性能產(chǎn)生巨大的威脅， 它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬具有不公平的侵占性。因而，迫切地需要監(jiān)視與控制手段對(duì)這些數(shù)據(jù)流進(jìn)行管 理，而最有效的實(shí)施手段主要依賴于路出器的增強(qiáng)機(jī)制。：冃前，在如何區(qū)分和控制非響 應(yīng)流、非tcp

31、兼容流的算法、以及這些算法的執(zhí)行對(duì)路由器的產(chǎn)生的額外開銷能否接受等方面 仍然存在著難點(diǎn)。另外，從發(fā)送流速的角度講，可將數(shù)據(jù)流分為t c p友好流和菲t c p友好流【61 o,1. tcp友好流(tcp-friendlyflow)如果一個(gè)流的到達(dá)速率不超過同樣情況下任何t c p連接的速率，就稱該流為t c p友好流。2 .非t c p友好流(n o t t c p f riendlyflow)如果一個(gè)流的到達(dá)速率長時(shí)間超過同樣情況下任何t c p連接的速率，就稱該流 為非一 t c p友好流。對(duì)于tcp友好流，收到擁塞指示時(shí)對(duì)擁塞的響應(yīng)是將擁塞窗口至少減小一半， 然后以常數(shù)速率增加擁塞窗口，

32、每個(gè)rt t至多將窗口増加1,給定丟包率p, tcp 連接的最人發(fā)送速率為tbps, t的范圍由式卜1確定。t<t 1 . 5 / 2 / 3x b（式卜1 ）rx 4 p其屮，b為一個(gè)數(shù)據(jù)包的最大字節(jié)數(shù)，r為最小rtto當(dāng)某數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率 大于t時(shí)（不包括偶爾的突發(fā)數(shù)據(jù)流）,那么可斷定該數(shù)據(jù)流是非t c p友好流【6 1 o當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，一方面，需耍一致的tcp流量控制來達(dá)到公平的帶寬分配；另一 方面，為了適應(yīng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)乂期望放棄tcp流量控制機(jī)制，這種為難的局面促使研究者 提出新的流量控制機(jī)制。5南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第一章緒論1 . 4小結(jié)本章概括介紹了進(jìn)行擁塞控制研究的背

33、景和必要性以及與擁塞控制相關(guān)的i n t e r n e t的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)屮的數(shù)據(jù)流進(jìn)行了分類，為以后本論文要做的工 作做了鋪墊。1 . 5論文安排本文主要是以擁塞控制算法為研究對(duì)彖，并將顯式擁塞控制算法作為重點(diǎn)進(jìn)行了 研究。介紹了擁塞控制研究的背景和必要性，并從多個(gè)角度對(duì)擁塞控制進(jìn)行分類， 對(duì)幾種經(jīng)典擁塞控制算法作了詳細(xì)描述，進(jìn)行了分析研究，并基于ecn和becn算法 提出一種綜合的ecn算法cmecno z后乂對(duì)與擁塞控制密切相關(guān)的隊(duì)列管理和調(diào)度算法 作了探討，最后利用仿真工具0 pne t對(duì)幾種算法進(jìn)行了仿真分析。全文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章簡(jiǎn)要介紹擁塞控制研究的背景及必要性，

34、總結(jié)了與擁塞相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的主體數(shù)據(jù)流進(jìn)行了分類；第二章探討了網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的原因，介紹了兒種形式的擁塞崩潰，對(duì)擁塞控制和 流量控制加以區(qū)分，接著簡(jiǎn)述了擁塞控制機(jī)制的發(fā)展和衡量擁塞控制算法性能的指標(biāo),并從多個(gè)角度對(duì)擁塞控制算法進(jìn)行分類，進(jìn)一步描述了 tc p擁寒控制算法；第三章詳細(xì)介紹了幾種經(jīng)典的擁塞控制算法，對(duì)源算法t a h o e、reno、 n e w r e no、sack、vegas和顯式擁塞控制算法ecn、aecn、becn進(jìn)行了分析研究， 提出一種cme cn算法；第四章探討了與擁塞控制密切相關(guān)的隊(duì)列管理和調(diào)度機(jī)制；第五章對(duì)仿真平臺(tái)opnet進(jìn)行簡(jiǎn)介，

35、介紹了建模過程，最后利用opnet 仿真工具對(duì)reno、red、e cn和cmecn算法進(jìn)行了建模仿真，對(duì)其性能進(jìn)行了 比較分析。6南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章?lián)砣刂频诙聯(lián)砣刂茝囊蛱鼐W(wǎng)誕生起網(wǎng)絡(luò)擁塞就威脅著其穩(wěn)定性，雖然隨著技術(shù)的發(fā)展因特網(wǎng)的相關(guān) 技術(shù)日漸成熟，可對(duì)某些方面的問題加以解決，但擁塞控制是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，單 方面條件的改善只會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生瓶頸，網(wǎng)絡(luò)擁塞卻仍不能很好解決，反而隨著因特網(wǎng)的規(guī)模、 用戶和應(yīng)用的急劇增加，使網(wǎng)絡(luò)擁塞問題日益突出。要解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，首先要了解 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因，對(duì)現(xiàn)有的擁塞控制機(jī)制有清楚的了解。本章將對(duì)關(guān)于擁塞控制的一 些根本性問題進(jìn)行探討

36、。2 . 1網(wǎng)絡(luò)擁塞及擁塞崩潰2. 11擁塞的定義及成因當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)屮存在過多的報(bào)文時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞【11。 擁塞會(huì)導(dǎo)致報(bào)文傳輸時(shí)延急劇增加并進(jìn)一步導(dǎo)致報(bào)文的大量丟失，報(bào)文因丟失而重傳又會(huì) 加重?fù)砣斐蓯盒匝h(huán)，.網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐率（goodput ）也因此迅速下降， 更為嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致?lián)砣罎⒌陌l(fā)生。網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的根本原因在于用戶（端系統(tǒng)）提供給網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載人于網(wǎng)絡(luò)資源容 量和處理能力（即過載，overload）。表現(xiàn)為數(shù)據(jù)包時(shí)延增加、丟棄概率增 大、上層應(yīng)用系統(tǒng)性能卜降等。發(fā)生擁塞的情況如圖2 1所示。網(wǎng)絡(luò)吞吐量發(fā)送數(shù)據(jù)包量圖2 1網(wǎng)絡(luò)擁塞情況從局部看，擁塞產(chǎn)生的直接原因有以

37、下3點(diǎn)：1帶寬容量不足用戶（端系統(tǒng)）往往產(chǎn)生高速的數(shù)據(jù)流，如果不對(duì)源端的高速數(shù)據(jù)流加以控制而 讓其直接進(jìn)入低帶寬鏈路，就會(huì)產(chǎn)生擁塞。數(shù)據(jù)流從高帶寬鏈路經(jīng)轉(zhuǎn)接進(jìn)入低帶寬鏈 路時(shí)，若不加控制也會(huì)因帶寬瓶頸產(chǎn)生擁塞。根據(jù)香農(nóng)（shannon）公式，任何信 道帶寬最人值即7墮塞塑皇奎堂堡主翌窒生堂堂笙芒蔓三童塑墨絲型信道容量c = b 1 o g： （ i +s / n） （e為信道帶寬，n為信道加性帶限 高斯白噪聲的平均功率，s為信源的平均功率）。所有信源發(fā)送的速率r必須小于或等于信道容量c。如果r> c,則在理論上無差錯(cuò)傳輸就是不可能的，所以在網(wǎng)絡(luò)低速鏈路處就會(huì)形成帶寬瓶頸，當(dāng)其滿足 不了通

38、過它的所有源端帶寬要求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)發(fā)生擁塞。2. 存儲(chǔ)空間不足數(shù)據(jù)流經(jīng)由鏈路傳輸?shù)竭_(dá)交換機(jī)或路由器后，首先在輸入接口緩沖區(qū)排隊(duì)，交換 機(jī)或路由器對(duì)其處理后再在要轉(zhuǎn)發(fā)出去的輸出端口排隊(duì)。排隊(duì)時(shí)如果沒有足夠的存儲(chǔ) 空間存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)包就會(huì)丟弄，對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)流更是如此。增加存儲(chǔ)空間在某種程度上可以 緩解這一矛盾，但如果交換機(jī)或路由器有無限存儲(chǔ)量時(shí)，擁寒反而會(huì)變得更壞，而不是更 好，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)里數(shù)據(jù)包經(jīng)過長時(shí)間排隊(duì)完成轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，它們?cè)缫殉瑫r(shí)，源端認(rèn)為它們已經(jīng) 被丟棄，而這些數(shù)據(jù)包還會(huì)繼續(xù)向下一節(jié)點(diǎn)（交換機(jī)或路由器）轉(zhuǎn)發(fā)，：從而浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資 源，加重網(wǎng)絡(luò)擁塞。3. 處理器處理能力弱、速度慢也會(huì)引起擁塞主要表現(xiàn)在路

39、由器的cpu方面，路由器對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行選路轉(zhuǎn)發(fā)，若其在執(zhí)行緩沖排隊(duì)、更新路由表等功能時(shí)，處理數(shù)據(jù)速度跟不上高速鏈路，輸出能力低于輸入流之和， 就會(huì)產(chǎn)生擁塞。發(fā)生擁塞事實(shí)上是由以上原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中的包不守恒所致。要避免擁塞發(fā)生，必 須從幾個(gè)方面綜合考慮。解決單方面問題，只會(huì)轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)瓶頸，而不能避免擁塞【3】【7】。從全局看，擁塞產(chǎn)生的原因有：1 . b e s t e f f o r t服務(wù)模型網(wǎng)絡(luò)不對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)質(zhì)量保證；2. 由于沒有“接納控制”算法和缺乏中央控制，網(wǎng)絡(luò)無法根據(jù)資源的情況限制用 戶的數(shù)量：3. internet資源分布的不均衡和流量分布的不均衡性，導(dǎo)致?lián)砣偸?發(fā)生在資源相對(duì)

40、短缺的位置。隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量和服務(wù)類型的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)流量分布的不均衡性更加明顯， 從根本上避免擁塞的產(chǎn)生是很難的。因此，必須采取一定的擁塞控制措施盡可能避免 和緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在高吞葉量、低延遲的狀態(tài)下，同時(shí)在擁塞發(fā)生時(shí)使網(wǎng)絡(luò)盡 快從擁塞狀態(tài)中恢復(fù)過來。2. 12擁塞崩潰當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，如果沒有一個(gè)很好的擁塞響應(yīng)控制機(jī)制，則很容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞 助潰8南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章?lián)砣匦同F(xiàn)象。典型的擁塞崩潰主要是由不必要的重傳數(shù)據(jù)包(這些數(shù)據(jù)包已經(jīng)被接收端 收到或正在傳輸途屮卻被重傳)引起的；未送達(dá)的數(shù)據(jù)包(undel i v e r e dp a c k e t )也可引起擁

41、塞崩潰，在傳送這些數(shù)據(jù)包時(shí)，未到達(dá)最后口的地就被丟弄，浪費(fèi)了帶寬，更具破壞 性的是盡力服務(wù)應(yīng)用在丟包率上升時(shí)仍增加發(fā)送速率。這些潛在的擁塞崩潰危險(xiǎn)主要在于 未使用端到端擁塞控制。此外，還有基于分片的擁塞崩潰(fragmentation 一b a s e dcongest i o ncollapse),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包被分割后的某些分片(fragment)或信元（cel 1 ）在傳輸過程中丟失（如在數(shù)據(jù)鏈路層），其余的到達(dá)接收端后由于不能被重組為有效的數(shù)據(jù)包 而被丟棄，就造成帶寬浪費(fèi)，主要是由于鏈路層傳輸單元（如分片或信元）與高層傳輸單元 （如數(shù)據(jù)包）不匹配造成的，可以通過路徑最大傳輸單元（max

42、irnurntransf e r u n i t , mtu）發(fā)現(xiàn)機(jī)制或早期丟包（earlyp a c k e t d i s c a r d ）等機(jī)制解決；另一種擁塞崩潰是由增加的控制流 （如帶有少量數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)包、路由更新信息包、組播加入或修剪信息等）造 成的；最后一種擁塞崩潰是由過時(shí)的或不再想要的數(shù)據(jù)包造成的，因?yàn)榘l(fā)生擁塞時(shí)鏈路延 時(shí)太長，用戶等不及就不再想要，而網(wǎng)絡(luò)卻仍忙于傳送這些過時(shí)的數(shù)據(jù)包，浪費(fèi)帶寬導(dǎo)致 擁塞崩潰8 1 o圖2 2顯示了吞吐量（throughput）、響應(yīng)時(shí)間（res pons etime）和網(wǎng)絡(luò)性能隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加大致變化情況。nee cliff k n oo c 1 i f f 負(fù)載負(fù)載n。圖2 2吞吐屋、響應(yīng)時(shí)1司和網(wǎng)絡(luò)性能