4 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)行為和傳輸控制理論

1、4 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)行為和傳輸控制理論4.1 引言網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)行為和傳輸控制理論研究的目的是解決未知的網(wǎng)絡(luò)行為與確定的傳輸控制目標(biāo)。研究網(wǎng)絡(luò)行為就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋，并能夠預(yù)測(cè)出行為未來的發(fā)展趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為通過基于不同數(shù)學(xué)模型的各種行為測(cè)度體現(xiàn)，是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理論依據(jù)，因此是以測(cè)度為基礎(chǔ)，研究網(wǎng)絡(luò)行為的描述理論；一抽樣為手段，研究新的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法；以突發(fā)數(shù)據(jù)流為典型，研究刻畫互聯(lián)網(wǎng)行為的多維理論模型。此研究適應(yīng)于高速網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制算法，高速網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究從最初單純解決TCP的低效問題，到圍繞公平性、穩(wěn)定性以及收斂性等方面開展了一系列的研究，到目前為止，

2、大多數(shù)研究沒有充分強(qiáng)調(diào)模型分析的重要性，缺乏總結(jié)性結(jié)論和定律的歸納與描述。得到的算法往往是靜態(tài)的和準(zhǔn)靜態(tài)的，不能適應(yīng)快速變化的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境。4.2 高性能傳輸系統(tǒng)研究本研究突破目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)研究中啟發(fā)式設(shè)計(jì)加仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的固有模式，通過建立和完善網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上借助成熟理論理論，譬如控制理論和種群演化理論中的設(shè)計(jì)與分析方法來展開對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)擁塞的研究。4.3 網(wǎng)絡(luò)行為研究1 高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)研究高速網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)研究主要研究資源可控制的自適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)流量和流數(shù)測(cè)量技術(shù)和方案，在網(wǎng)絡(luò)流量測(cè)量方面提出了新的資源可控制的網(wǎng)絡(luò)流測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)資源可控制條件下，提高網(wǎng)絡(luò)流的估計(jì)精度，

3、減少系統(tǒng)測(cè)量資源的消耗，測(cè)量通過鏈路的網(wǎng)絡(luò)流信息。本方法由與抽樣模型、抽樣和保留模型、淘汰模型等三個(gè)模型構(gòu)成，能夠提高抽樣精度并且有效的使用測(cè)量資源，并發(fā)揮測(cè)量系統(tǒng)的效率；使用不等概率淘汰流策略，使得同樣測(cè)量資源實(shí)現(xiàn)更高精度的抽樣；采用多抽樣模型，進(jìn)而使得系統(tǒng)可以控制不同系統(tǒng)資源的消耗。2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)度體系研究對(duì)現(xiàn)有測(cè)度進(jìn)行系統(tǒng)的分析歸納的基礎(chǔ)上，開展一些能夠反映網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交互特性和揭示用戶行為特征的新型測(cè)度的研究。4.4 高性能傳輸系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)1 高速傳輸協(xié)議的建模和分析目前對(duì)于擁塞控制算法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)最常見的研究方法包括基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測(cè)量的性能分析方法、基于仿真試驗(yàn)的性能分析方法和基于

4、模型的理論分析方法。對(duì)于研究高速網(wǎng)絡(luò)尤其是吉比特及的高速網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用測(cè)量方法和仿真分析雖然能夠得到精度較高的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)，但是他們的缺點(diǎn)在于費(fèi)時(shí)、費(fèi)用較高，而且無法顯示刻畫各個(gè)因素之間的關(guān)系。我們使用第三種方法，通過建立網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)模型，并運(yùn)用控制理論中的相關(guān)理論與方法來研究協(xié)議性能與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系，這種方法理論基礎(chǔ)較強(qiáng)，可以顯示的刻畫各種因素之間的關(guān)系，而且構(gòu)造和使用模型時(shí)的開銷較低。HSTCP和STCP協(xié)議是最早提出的兩種經(jīng)典高速傳輸協(xié)議，雖然已有的結(jié)果已經(jīng)說明HSTCP協(xié)議和STCP在吞吐量和反應(yīng)速度上優(yōu)于傳統(tǒng)的TCP協(xié)議，但是到目前為止，只有為數(shù)不多的研究從理論的角度分析HSTCP和

5、STCP的穩(wěn)定性和公平性，而且穩(wěn)定的分析僅限于推導(dǎo)協(xié)議的穩(wěn)定性判據(jù)。針對(duì)High Speed TCP協(xié)議、Scalable TCP協(xié)議和TCP協(xié)議，我們建立了一個(gè)通用的流體流模型來描述傳輸控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，通過小信號(hào)線性化方法得到了線性化系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，然后依據(jù)控制理論頻域內(nèi)用來表征系統(tǒng)穩(wěn)定程度的幅值裕度和相角裕度兩項(xiàng)指標(biāo)分析了HSTCP、STCP和TCP的相對(duì)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，當(dāng)鏈路帶寬和回路延時(shí)越大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度越差，而網(wǎng)絡(luò)中流數(shù)越大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度越好，而且無論帶寬、流數(shù)和回路延時(shí)如何變化、同等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)條件下STCP的穩(wěn)定程度總是越好，H

6、STCP次之，而TCP最差。模型的創(chuàng)新之處在于所使用的及按摩方法放松了同等研究中約束條件，所建立的通用流體流模型能夠使用多種傳輸協(xié)議，而且在模型的基礎(chǔ)上借助控制理論中穩(wěn)定裕度的概念實(shí)現(xiàn)了三種協(xié)議穩(wěn)定程度的量化分析與比較，提出了一種更方便有效的性能評(píng)價(jià)方法。2 高性能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)骨干帶寬的不斷升級(jí)和各種新型應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷提高，TCP協(xié)議中的AIMD擁塞控制算法在高速網(wǎng)絡(luò)中傳輸效率低的問題逐漸成為高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，因此研究適用于高速網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議成了網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)，已有的代表性協(xié)議有XCP、FAST、VCP和EMKC。與AIMD算法的鋸齒形工作曲線相比，認(rèn)為S

7、形曲線更適合高速網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。如圖8所示，發(fā)送頻率在S形曲線的初始階段緩慢上升，經(jīng)過一段時(shí)間后，如果寬帶資源足夠豐富，發(fā)送頻率呈指數(shù)上升，而當(dāng)發(fā)送速率逐漸逼近網(wǎng)絡(luò)的最大服務(wù)能力時(shí)，其上升速率緩慢，知道兩者完全相同，S形曲線與鋸齒曲線相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：在初始階段避免由慢啟動(dòng)算法帶來的流量突變。當(dāng)可用帶寬富裕時(shí)，發(fā)送速率指數(shù)增長(zhǎng)，快速提高鏈路利用率。當(dāng)可用寬帶緊張時(shí)，盡可能的進(jìn)行擁塞避免。不會(huì)出現(xiàn)速率震蕩情況，保證帶寬資源的充分利用。1模型設(shè)計(jì)考慮N個(gè)長(zhǎng)流競(jìng)爭(zhēng)瓶頸寬帶為C的情況，假設(shè)第i流的流量大小為，瓶頸帶寬處的隊(duì)列長(zhǎng)度為，輸入聚合流量為，我們?cè)O(shè)計(jì)如下的EVLF-TCP擁塞控制模型： （1）其中

8、，a和b為待定的控制參數(shù)，T為待定的時(shí)間常數(shù)，用來完成將隊(duì)列長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為流量的量綱轉(zhuǎn)化過程?；诜N群演化模型的基本原理，模型（1）可以看作是由內(nèi)稟增長(zhǎng)率b和密度制約項(xiàng)組成。為了考慮隊(duì)列因素對(duì)于傳輸?shù)挠绊?，我們將駐留在隊(duì)列中得分組集合看作是一個(gè)特別的種群，同樣消耗了一部分帶寬資源，那剩余的可用帶寬資源大小就等于瓶頸帶寬大小減去路由器的聚合輸入流量和正在排隊(duì)的流量，所以密度制約項(xiàng)中的“”部分就代表了歸一化的可用帶寬資源，為了保證算法收斂到公平，我們期望吞吐量較低的弱勢(shì)流應(yīng)該比吞吐量較高的強(qiáng)勢(shì)流增長(zhǎng)得更快，所以在謎底制約項(xiàng)中加入形如“1/x”的部分，使得各個(gè)流的密度制約項(xiàng)反比于流的當(dāng)前吞吐量。引入虛擬

9、負(fù)載因子模型（1）可簡(jiǎn)化為： （2）為了網(wǎng)絡(luò)模型的完整性，還需要指出，隊(duì)列長(zhǎng)度與聚合輸入量只見滿足流體流隊(duì)列模型。在瓶頸鏈路出，如果給定聚合輸入流量和路由器的服務(wù)能力C，則實(shí)實(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度可以由下式計(jì)算： （3）方程（3）顯示當(dāng)聚合流量超出路由器的服務(wù)能力時(shí)，隊(duì)列中將產(chǎn)生排隊(duì)。2性能分析定理1 由方程（1）（2）所表示的控制模型局部漸進(jìn)穩(wěn)定，且在穩(wěn)態(tài)下，各留的吞吐量均為，瓶頸鏈路出的隊(duì)列長(zhǎng)度為。定義1 對(duì)于給定的常數(shù)，如果某一資源分配方案滿足則稱該方案為有效的。定理2 考慮N個(gè)完全同步的EVLF-TCP流分享瓶頸帶寬為C的鏈路，每個(gè)流得出是流量均為，且且N1，那么經(jīng)歷時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到有效狀態(tài)。定義

10、2 對(duì)于給定的常數(shù)，如果某一資源分配方案滿足則稱該方案為公平的。定理3 考慮N個(gè)完全同步的EVLF-TCP流已經(jīng)完全公平地分享了瓶頸帶寬為C的鏈路，此時(shí)又一個(gè)初始流量為的流加入網(wǎng)絡(luò)，且，那么經(jīng)歷時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到公平狀態(tài)。3工作原理該模型的主要工作原理如圖9所示：發(fā)送端在IP報(bào)文中帶上EVLF擴(kuò)展報(bào)頭項(xiàng)接收端發(fā)送，每個(gè)路由器中均定期維護(hù)一個(gè)預(yù)分配速率因子r，r的基本調(diào)整策略是當(dāng)路由器欠載時(shí)，r逐漸增加，反之逐漸減少。如果EVLF擴(kuò)展報(bào)頭中已經(jīng)攜帶的r值大于當(dāng)前路由器所維護(hù)的r值，則用當(dāng)前路由器的r值替換，最終將r值通過ACK分組捎帶回發(fā)送端；當(dāng)發(fā)送端接收到預(yù)分配速率因子r之后，它將該r值看作是網(wǎng)

11、絡(luò)對(duì)它所能提供的服務(wù)能力的上限，從而發(fā)送端速率x的調(diào)整策略是快速地使x向r值逼近。該模型的主要思想是在沒有發(fā)送端提供輔助策略信息的前提下，由路由器單純的根據(jù)自己的負(fù)載和隊(duì)列長(zhǎng)度信息來實(shí)現(xiàn)帶寬預(yù)分配，并通過該模型來完成發(fā)送端發(fā)送速率和預(yù)分配速率因子的漸進(jìn)演化。與其他同類研究工作相比，該模型的好處在于它不僅提供了良好的收斂性和穩(wěn)定性，同時(shí)避免了需要在路由器分配帶寬時(shí)，需要由發(fā)送端提供一些輔助策略信息的弱點(diǎn)。而且從協(xié)議的計(jì)算開銷和傳輸性能來看，EVLF-TCP協(xié)議要明顯優(yōu)于同類研究工作。4 仿真實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)典的啞鈴?fù)負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定瓶頸鏈路寬帶為120Mbps，設(shè)定回路延時(shí)為400ms、200ms、100

12、ms和50ms的四個(gè)流分別為0s、200s、400s、600s、800s和1000s啟動(dòng)，仿真實(shí)驗(yàn)持續(xù)1500s。鏈路的平均利用率、平均丟綠率和平均隊(duì)列長(zhǎng)度情況如表1所示，可以看出EVLF-TCP對(duì)鏈路回路延時(shí)適應(yīng)性較其他協(xié)議要好。4.5 起點(diǎn)檢測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)流量是由報(bào)文構(gòu)成，具有相同流屬性的報(bào)文構(gòu)成流。而具有相同的聚類屬性的流構(gòu)成就聚類點(diǎn)，超點(diǎn)就是流數(shù)超過一定閥值的聚類點(diǎn)。超點(diǎn)檢測(cè)算法的核心就是如何維護(hù)流記錄和聚類點(diǎn)記錄，以及提高超電流數(shù)的測(cè)量精度。1 算法概述假設(shè)一個(gè)測(cè)量時(shí)間區(qū)間持續(xù)t秒，一個(gè)主機(jī)在測(cè)量區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生或收到m個(gè)流，定義一個(gè)閥值，如果，則認(rèn)為這個(gè)主機(jī)是一個(gè)超點(diǎn)主機(jī)。為了能夠在高速鏈路上實(shí)時(shí)識(shí)別超點(diǎn)主機(jī)，我么需要維護(hù)流狀態(tài)信息和聚類點(diǎn)狀態(tài)信息，算法主要研究核心是設(shè)計(jì)好流狀態(tài)空間和聚類點(diǎn)狀態(tài)空間，以便控制SRAM內(nèi)存資源的使用，實(shí)現(xiàn)高速鏈路超點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2 性能分析定理4 測(cè)量過程算法中，一個(gè)聚類點(diǎn)測(cè)量到流數(shù)的估計(jì)值為：其方差為。定理5 定義一個(gè)以z為函數(shù)