浅论互联网端到端拥塞控制研究

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1、上海交通大学博士学位论文互联网端到端拥塞控制研究姓名：张敬辕申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：谢剑英2002.6.1互联网端到端拥塞控制研究摘要随着Intemet的飞速发展，其鲁棒性越来越依赖于Intemet所采用的拥塞控制机制。拥塞控制对网络来讲，不仅是个核心问题，也是个非常困难的问题。本文首先对目前Internet中普遍采用的TCP拥塞控制算法的性能进行了分析和研究，指出了TCP拥塞控制所存在的“全局同步”和公平性差等缺陷。此外，由于TCP采用和式增加积式减小的窗口调节机制，使得源端数据传输速率呈锯齿状波动，由此必然会导致过高的分组丢失

2、率、传输时延以及时延抖动。针对TCF拥塞控制算法存在的问题，本文引入“效用函数”的概念，将拥塞控制问题转化为约束非线性规划的全局优化问题，并由此采用障碍函数法从全局的角度对拥塞控制问题进行解决，设计了具有稳定性和公平性保证的拥塞控制算法，然后依据ECN技术的支持，将算法分为源端算法和链路算法两部分，使算法得以在m网络中实现。，／目前基于效用函数的拥塞控制算法主要是针对弹性通信量(elastictraffic)而设计的，其目的是在带宽限制条件下使所有用户的效用之和最大，而不考虑传输时延和时延抖动等因素。为使效用最优算法能够满足实时通信量(real-timetr

3、affic)的服务质量要求，本文根据路由器中队列长度的变化规律，首次将效用函数方法与路由器中的队列特性相结合，在保证路由器中队列收敛的基础上设计链路标记算法，使路由器中的队列长度稳定在期望值附近，由此可最大限度地降低传输时延和时延抖动。虽然基于效用函数的拥塞控制算法对于提高Intemet的服务质量具有十分重要的作用，但由于这些算法需要对现有的网络机制作较大改动，因此一种更为行之有效的方法是在源端依然采用TCF拥塞控制算法的前提下，通过设计合理的队列管理算法来提高网络的服务质量。为此，本文针对TCP拥塞控制算法的数学模型，根据模糊控制对模型不确定性的适应能力，

4、首次将模糊控制与队列管理技术相结合，设计了一种基于模糊逻辑的自校正队列管理算法。该算法以路由器中队列长度和队列长度的变化为输入参数，根据一定的模糊规则实时调整分组的丢弃或标记概率，从而使路由器中的队列长度稳定在期望值附近，为主动队列管理算法的设计提供了一种全新的思路。算法的复杂程度是决定主动队列管理算法是否实用的一个关键因素。本文针对模糊自校正队列管理算法可能导致的算法复杂性问题，对模糊自校正算法做了进一步简化，设计了一种更为实用的自校正队列管理算法一SPD算法。该算法不必计算平均队列长度，而且也可采用较低的频率对丢弃概率进行计算，因此其计算量比RED、RE

5、M等算法要小的多。此外由于该算法引入了队列长度的变化作为输入参数，因而对网络状态的变化具有快速的跟踪能力，完全适用于实际的时变网络环境。队列管理算法的另一个研究热点是区分服务中的队列管理问题。本文在对RIO算法进行分析的基础上，通过将SPD队列管理算法进行扩展，设计了一种全新的符合区分服务工作方式的队列管理算法，该算法不仅可以通过如和Out分组对服务质量进行区分．而且也适用于具有不同优先级的服务场合，由此可根据不同用户的优先级按比例为其分配带宽，具有更高的公平性。近年来随着无线通信业务和移动用户需求的迅速增加，如何采取有效的措施来解决无线网络中的拥塞控制问题

6、成为影响无线网络性能的一个关键因素。本文针对无线网络中存在随机数据包丢失的特定情况，对TCP拥塞控制算法在无线网络中的性能进行了理论和仿真分析。并由此针对无线网络的特性，通过将SPD队列管理算法和ECN技术相结合来彻底避免由拥塞而导致的分组丢失，使源端不再将分组丢失作为链路拥塞的判别标志，为无线网络中拥塞控制算法的设计提供＼了一种新的思路。t，／27、—一／，一一r’、／歹气7关键词：拥塞控锘畛@趔壁壅至魏董塾二j涌鱼裁，模糊控够碴孽垂：一蕈歪!!参无线网络；．II．IMPROVINGEND．TO．ENDCONGESTIONCONTROLALGORITHMS

7、FORT}{EINTERNETABSTRAC下AstheInteractexplodesinsizeandinthenumberofusers，therobustuessoftheIntvrnetishighlydependedonthecongestioncontrolmechanism．InthecurrentInternet,themostpopularcongestioncontrolalgorithmisTCP,whichhasbeenshowntobeverysuccessfulformostbast-effortservices，butital

8、sohasthedrawbackofglobalsy