浅论互联网拥塞控制算法研究

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1、华中科技大学博士学位论文互联网拥塞控制算法研究姓名：陈虎申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：关治洪20080301华中科技大学博士学位论文摘要由于网络资源和网络流量分布的不均衡，拥塞的发生是互联网的固有属性。为了保证互联网的稳定运行，必须执行拥塞控制。拥塞控制算法大致可以分成两类：源算法和链路算法。链路算法，如主动队列管理算法(ActiveQueueManagement,AQM)，在网络设备中执行，作用是检测拥塞的发生，并将拥塞信息反馈给用户；源算法，如TCP，在主机及网络边缘设备中执行，根据反馈信息调整数据发送的速率。基于端到端的

2、思想，传统的拥塞控制机制多依赖TCP来实现。随着互联网的发展，传统的拥塞控制机制暴露了许多局限性。如TCP的窗口减小方式不适合流媒体应用，TCP在高速网络上的性能严重下降等。针对这些问题，本文研究了拥塞控制的源算法、效率与公平控制器的解耦、高速与无线混合链路上的显式拥塞制算法、拥塞控制建模以及稳定性分析。本文的主要研究内容如下。本文提出了基于带宽测量的温和慢启动算法(GentleSlowStart,GSS)。TCP的慢启动过程存在两个缺陷：首先，TCP在建立新连接时盲目设置慢启动门限；其次，在慢启动后期，TCP的指数窗口增长方式过快。GSS解决了这

3、两个问题。对一个新连接，GSS通过网络测量技术获得其可用带宽，然后根据这个带宽设置合适慢启动门限值。在超时导致的慢启动中，GSS使用一个自适应的临界值，当拥塞窗口超过此值时，改用一种温和的窗口增加方法，平滑过渡到拥塞避免阶段。在R.Sastry和S.Lam等人的工作基础上，假设所有的数据流获得相同的反馈，本文总结并证明了几个单播拥塞控制中公平性和TCP友好性的定理。这些定理是以拥塞窗口的增加和减小函数的形式给出的。运用这些定理，通过选择不同的窗口改变函数，可以定制适合不同用应用程序的拥塞控制算法，我们以流媒体拥塞控制进行了说明。受“跨层设计”思想的

4、启发，本文提出了“定制拥塞控制策略”的概念，即应用层可以选择其拥塞控制策略，并探讨了可实现性的一些问题。本文深入分析了XCP(eXplicitControlProtocol)和VCP(Variable-structurecongestionControlProtocol)两种协议的效率与公平控制器解耦方式。XCP在网络设备中同时完成效率和公平控制，需要在端系统和网络之间传递较多的信息。在每个控制周期，两种控制器都会被执行一次。VCP的效率控制和公平控制都是在端系统执行的，网络和端系统之间交换的信息很少。在每个控制周期，只有一个控制器被I华中科技大学

5、博士学位论文执行。进一步，我们指出了VCP这类TCP+AQM风格协议的公平性远逊于XCP的原因是公平控制器执行的次数过少。通过增加公平控制器的执行次数，我们提出了“公平VCP”(FVCP)算法，有效提高了VCP的公平性。本文提出了几种“自适应的VCP”(AVCP)算法。通过将针对高速链路的VCP扩展至无线链路，AVCP可以同时适应于高速、无线链路以及这两种链路混杂的情况。AVCP是一种显式拥塞算法，其核心思想是通过网络反馈的“路径负载因子”来推测数据包的丢失是拥塞导致的还是的传输错误导致的，然后决定是否减小拥塞窗口的大小。显式拥塞算法中，网络需要链

6、路的带宽来计算反馈信息。但是对于无线链路、竞争型的以太网等，其可用带宽难以准确获得。从控制理论的角度，我们指出带宽估计错误可能导致显式拥塞算法不能取得预期的性能。本文基于优化理论深入研究了拥塞控制的建模与稳定性。我们从物理意义上纠正了Kelly模型中的几个错误，并在Zhang等的工作基础上提出了一个通用的拥塞控制模型：GKJZ（GeneralKelly-Johari-Zhang）模型，可适应多种拥塞控制算法。GKJZ采用时延各不相同的N维差分方程来描绘拥塞控制的动力学行为。在GKJZ模型的框架下，我们对VCP进行了建模，并基于模型给出了VCP局部稳

7、定性的充分条件。与大多数现有的稳定性条件不同，我们的稳定性判据与时延无关且具有非常简单的形式，易于验证。基于这个稳定性条件，拥塞控制算法只需静态的设置其控制参数，不必根据时延动态调整，具有很强的鲁棒性。关键词：互联网，拥塞控制，TCP友好性，公平性，显式拥塞算法，稳定性，时延II华中科技大学博士学位论文AbstractDuetotheunbalancedistributionsofnetworkresourcesandtraffics,theoccurrenceofcongestionisanintrinsiccharacteristicofthe

8、Internet.CongestioncontrolisnecessarytokeepthestabilityoftheI