带宽共享公平性保证的关键技术研究

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1、华中科技大学博士学位论文带宽共享公平性保证的关键技术研究姓名：刘彦申请学位级别：博士专业：通信与信息系统指导教师：杨宗凯200505041绪论1.1课题背景互联网Internet最初的设计思想是面向非连接的分组交换网络它为所有的业务提供不加区分的尽力而为besteffort传输服务为保持核心路由器的运作简单和可扩展性它将操作的复杂性推到网络的边缘和端节点虽然建立在这种体系结构上的网络应用与网络协议具有较强的灵活性和适应能力可是这种网络体系结构缺乏对业务流的隔离和保护机制随着互联网规模的迅速增长和网络应用日益多样化网络流量以指数

2、级形式迅速递增当网络流量小于网络的带宽容量时各业务流的带宽需求都能得到满足但当网络流量超过了网络的带宽容量时业务流的端到端时延和分组丢失率将会迅速上升出现了带宽资源共享的公平性问题目前的互联网主要通过端到端的TCP层拥塞控制机制实现网络带宽资源的公平共享近年来随着互联网规模的迅速增长和网络技术的飞速发展网络带宽资源共享的公平性保证问题面临着新的压力和挑战主要体现为以下几个方面1)不同传输介质的影响随着无线传输技术的发展无线传输链路成为了互联网的重要组成部分无线链路具有与传统的有线链路不同的属性传统的TCP层拥塞控制机制针对传统

3、的有线网络设计当业务流经过这些不同链路时不同的链路属性会降低传统TCP层拥塞控制机制的吞吐量造成无线链路上的流量与有线链路上流量之间的不公平共享网络带宽资源2)不同流量特性的影响新涌现的多媒体应用如IP电话视频会议视频点播等具有与传统的数据应用如Email文件传输等不同的流量属性具体表现为要求较大的网络带宽对网络时延和时延抖动敏感允许一定的数据丢失较差的自适应能力等为了获取较好的性能这些实时应用大多采用UDP协议进行传输而不是TCP这类非拥塞响应流量在网络发生拥塞时并不会象TCP协议那样自动降低数据发送速率这些流量不公平地占用

4、了TCP流量1的网络带宽此外网络中还存在一些蓄意获取多余网络资源的恶意流量必须通过在中间节点采取有效的带宽共享公平性保证机制实现非拥塞响应流量和拥塞响应流量之间的公平带宽共享3)接入网络容量不同的影响Internet的接入链路可能是Ethernet无线局域网WirelessLAN或是拨号接入这些不同的链路具有不同的带宽容量特性如何隔离接入速率低的用户对高接入速率用户的影响是为用户提供公平带宽共享要研究的一个重要问题综上所述网络飞速发展带来的异构特性为带宽资源共享的公平性保证问题研究赋予了新的内涵针对以上问题本论文的研究以为当前

5、的互联网络提供有效的端到端带宽共享公平性保证为目的主要从以下两个方面展开1同一队列中不同流量间的带宽共享公平性保证机制的研究2不同队列中流量间的带宽共享公平性保证方法的研究本文的工作得到国家自然科学基金基于媒体传输特性的无线多媒体技术的研究No.60202005新加坡南洋理工大学CeMNet实验室合作研究项目通用传输平台的研究及企业合作研发项目高速宽带路由器平台的研制与开发的资助1.2带宽共享公平性保证技术的研究现状为保持核心交换网络的运作简单和可扩展性Internet将操作的复杂性推到网络的边缘和端节点通过在端节点采用复杂的

6、TCP层拥塞控制机制在中间节点采用简单的先进先出队列调度算法为业务流的带宽共享提供公平性保证在网络带宽资源充足的情况下各业务流的带宽需求都能得到满足但在拥塞情况下业务流的端到端时延和分组丢失率将会迅速上升出现了各流量之间的带宽共享公平性问题因此随着Internet规模的逐渐增大和网络应用的多样化发展这种无区别无保证的带宽资源共享方式已不能满足多媒体应用和关键性应用对网络服务的要求在过去近十年中研究者们一直在探索改进互联网带宽共享公平性保证的方法这些方法主要围绕对TCP层拥塞控制机制的改进以及在交换节点中增加队列调度2[1]管理

7、机制来进行由于这方面的研究成果具有简单性可实现性和易于部署的特点因此它们具有很强的实际应用价值本文将从实用化角度出发研究互联网中的可实现可扩展的带宽共享公平性保证方法如图1.1所示根据解决问题的不同可以将带宽共享公平性保证技术分为两类第一类为同一队列中的不同流量提供公平带宽共享这主要通过端节点的拥塞控制机制完成第二类为不同队列中的流量提供带宽共享公平性保证它主要包括中间节点的队列管理和调度算法以下我们将对端节点的拥塞控制机制和中间节点的队列管理与调度进行分别论述单播拥塞控制(TCPVeno[12],Snoop[13]等)同一队

8、列中流量间的端节点的拥塞控制机带宽共享公平性保证制组播拥塞控制(第三四章)带宽共享公平性保证队列管理(简单,易于实现)不同队列中流量间的中间节点的队列管理带宽共享公平性保证与调度队列调度(第五章)图1.1带宽共享公平性保证技术1)端节点的拥塞控制机制基于端节点的带宽共享公平性