高速TCP-IP網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求日益增加，互聯(lián)網(wǎng)傳輸流量急劇增長(zhǎng)，以致現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬和緩存容量等硬件資源難以滿足業(yè)務(wù)流增長(zhǎng)的需要，由此引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)擁塞不可避免地成為制約網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用的重要瓶頸。網(wǎng)絡(luò)擁塞造成擁塞窗口大小及瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等性能?chē)?yán)重降低，從而無(wú)法確保較好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。因此，擁塞控制已成為近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)，而引入控制理論的原理和方法來(lái)研究擁塞控制提高網(wǎng)絡(luò)性能成為國(guó)際學(xué)術(shù)和工程界交叉學(xué)

2、科探討的前沿問(wèn)題。
　　 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上95%工作的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流采用的是傳統(tǒng)的傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（TCP/IP）協(xié)議，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)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(shí)時(shí)記錄發(fā)送數(shù)據(jù)分組狀況和接收到確認(rèn)（ACK）的系統(tǒng)時(shí)間，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的變化判定網(wǎng)絡(luò)擁塞的狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控發(fā)送端發(fā)送速率，使網(wǎng)絡(luò)擁有更好的穩(wěn)定性和更快的傳輸速率。然而

3、，當(dāng)FAST TCP運(yùn)行狀態(tài)與期望的穩(wěn)定狀態(tài)存在較大差距時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將發(fā)生窗口大小劇烈變化、緩沖隊(duì)列外溢和數(shù)據(jù)包傳輸延遲過(guò)大等問(wèn)題。為此，針對(duì)這些存在的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　 (1)針對(duì)FAST TCP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)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(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，

4、給出了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南嗨泼枋觥?yīng)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(jié)果表明，WTCP策略的擁塞窗口大小和瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度在網(wǎng)絡(luò)有/無(wú)猝發(fā)流傳輸情況下均較FAST TCP具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　 (2)研究了網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。提出基于關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)的擁塞控制策略，應(yīng)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(jìn)行分析，證明了該策略的穩(wěn)定性

5、，并且確定了關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)取值區(qū)間。理論分析和仿真結(jié)果表明，基于關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)的擁塞控制策略不僅提升了網(wǎng)絡(luò)性能，而且其參數(shù)調(diào)節(jié)方法為現(xiàn)實(shí)路由器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 (3)研究了FAST TCP擁塞窗口大小的漸近穩(wěn)定性。針對(duì)FAST TCP運(yùn)行狀態(tài)與期望平衡狀態(tài)存在較大差距時(shí)，擁塞窗口大小發(fā)生較大變化，可能導(dǎo)致緩沖隊(duì)列外溢以及數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延過(guò)大等問(wèn)題，提出一種擁塞控制優(yōu)化策略，應(yīng)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(dǎo)出維持其漸近穩(wěn)定的充分必要條件。理論分析和仿真結(jié)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(duì)列的溢出。
　　 (4)研究了一種大時(shí)延動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制策略。充分利用Smith原則能夠補(bǔ)償大時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度造成的不良作用以及模糊控制不必建立精確數(shù)學(xué)模型即可實(shí)行較好調(diào)控的特點(diǎn)，提出基于Smith原則和模糊控制的擁塞控制策略。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，應(yīng)用Lyapunov穩(wěn)