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数据中心网络的拥塞控制策略研究

数据中心网络的拥塞控制策略研究

作者：张一鸣西安工业大学

学位级别：硕士

数据通信需求的推动下,数据中心间网络变得越来越重要,拥塞控制也成为网络中重要的问题,为了数据传输过程保持稳定,研究学者对拥塞控制做了一系列研究。传统TCP拥塞控制代表性的是基于丢包和基于延时的拥塞控制,随着网卡和内存芯片的发... 详细信息

数据通信需求的推动下,数据中心间网络变得越来越重要,拥塞控制也成为网络中重要的问题,为了数据传输过程保持稳定,研究学者对拥塞控制做了一系列研究。传统TCP拥塞控制代表性的是基于丢包和基于延时的拥塞控制,随着网卡和内存芯片的发展,许多应用程序都有高吞吐量和延迟限制,已经不能简单地以丢包、时延作为拥塞信号。因此在利用容量效率和保持低延迟之间找到正确的平衡是拥塞控制中的一个重要的问题。2016年谷歌提出了一种基于速率的拥塞控制算法——BBR拥塞控制算法,被誉为开创了拥塞控制算法新纪元。通过测量可用的瓶颈带宽和最小往返时间估计网络瓶颈链路的带宽时延积(BDP)来创建网络路径模型,旨在保持低缓冲区利用率,同时最大化吞吐量。由BBR在实际网络中的实施情况得出,BBR在吞吐量方面比TCP中传统的拥塞控制算法具有更好优势,可以显著提高带宽的利用率。随着对BBR算法的研究,发现在网络波动的情况下BBR在带宽探测阶段使用在探测过程中选取最大样本值,在网络波动中往往最大样本高于实际带宽导致高估,随之产生链路过载,高排队延迟等问题。根据BBR带宽易高估问题,本文提出一种新的过滤器。另外针对于BBR无法及时区分分组丢失是由于网络拥塞还是随机丢包造成信道利用率低的行为,提出了基于RTT的拥塞信号识别机制。(1)由于BBR使用简单的最大过滤器(MAX过滤器),在探测过程导致高估。首先,通过数学分析及仿真实验对BBR拥塞控制算法异步探测机制发送速率与瓶颈带宽不相配的情况分析和验证。其次,针对于这种行为,本文将网络波动造成的带宽突变看作阶跃性事件,利用Tobit卡尔曼滤波修正估计过程的饱和数据的特点和自适应卡尔曼滤波跟踪信道容量的变化、处理估计中的未知噪声的特点,将两者相结合,替换MAX过滤器的BBR-ATKF算法,将容量建模为高斯—马尔可夫过程。同时提出将网络波动造成的带宽突变看作阶跃性事件,实时动态调整滤波器的均值及时响应网络的突变甚至网络中断。从而使得到的信道容量估计值更接近于实际值,改善BBR高估引起的RTT的巨大潜在波动问题。(2)在拥塞信号识别方面,BBR无法及时区分分组丢失是由于网络拥塞还是随机丢包,不能针对性检测拥塞,导致网络链路利用率低,瓶颈缓冲区中的有数据包丢失、重传和排队延迟。本文基于拥塞窗口的动态特性构建了一个拥塞队列模型,推导该模型的边界,得出未触发拥塞下的最大RTT边界值作为拥塞信号,更快地有针对性地对拥塞作出反应,充分利用信道资源的同时减小缓冲区排队延迟。最后,通过仿真软件进行测试分析,得出所提算法与标准BBR相比减少大约一半的重传,丢包率从32%降低到3.3%,平均RTT减少了40%,具有更好的传输性能。

关键词：拥塞控制数据中心网络 BBR 带宽探测排队延迟

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BBR拥塞控制算法的收敛性和公平性研究

BBR拥塞控制算法的收敛性和公平性研究

作者：彭澍中南大学

学位级别：硕士

目前,广域网网络流量主要由CUBIC协议与BBR协议流量组成。传统的CUBIC协议采用了基于丢包的拥塞控制算法,会不断填满缓存以获取高吞吐率,但过高的排队延时造成了传输效率的下降。而新型的BBR协议能将发送速率维持在排队的临界点,降低排... 详细信息

目前,广域网网络流量主要由CUBIC协议与BBR协议流量组成。传统的CUBIC协议采用了基于丢包的拥塞控制算法,会不断填满缓存以获取高吞吐率,但过高的排队延时造成了传输效率的下降。而新型的BBR协议能将发送速率维持在排队的临界点,降低排队延时,但其周期性的速率调节方式难以及时探测空闲带宽,实现快速收敛。而且,当CUBIC与BBR共存时,两种协议流存在严重的不公平问题。为了提升广域网的传输性能,研究BBR协议的收敛性和公平性的研究具有重要的意义。针对BBR协议的带宽探测策略不够灵敏,难以及时发现空余带宽的问题,本文提出了一种提升BBR协议收敛性的速率调整方法BBR-DYNAMIC。该方法利用采样延时和历史带宽信息两个维度进行网络状态的判断,用增速因子动态地调整带宽探测的幅度,并采用延时阈值控制排队情况。BBR-DYNAMIC能够快速发现并利用空余带宽,提高带宽利用率,同时将队列长度控制在很小范围。本文分别在仿真环境和操作系统内核协议栈实现了BBR-DYNAMIC。实验结果表明,相对于目前的BBR协议,BBR-DYNAMIC能够显著提高带宽利用率,最高可提升15.75%,并且还能降低丢包率和平均往返延时。由于BBR协议无法区分同一瓶颈链路上背景流量的类型,其定期排空、不向网络中注入过多数据包填充缓存的策略会导致BBR与CUBIC流共存时出现公平性问题。为了解决该问题,本文提出一种基于判断缓存大小的动态调整发送窗口大小的方法BBR*。该方法利用多个往返延时内的连续丢包情况判断网络状况,并依据判断结果动态地调整发送窗口。大规模实验结果表明BBR*有效地改善了BBR流和CUBIC流之间的公平性,公平因子最高提升54.6%。图35幅,表1个,参考文献84篇

关键词：广域网拥塞控制协议 BBR 带宽探测公平性

宽带数字集群终端视频通信性能优化方法的研究

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宽带数字集群终端视频通信性能优化方法的研究

作者：张茵北京交通大学

学位级别：硕士

宽带数字集群系统是一种集语音、视频以及短消息等业务为一体的专用移动网络通信系统。现有宽带数字集群终端通过设置固定的编码参数传输视频,终端视频的流畅度和清晰度较差。移动终端的移动通信网络环境所支持的传输速率随时间和地点变... 详细信息

宽带数字集群系统是一种集语音、视频以及短消息等业务为一体的专用移动网络通信系统。现有宽带数字集群终端通过设置固定的编码参数传输视频,终端视频的流畅度和清晰度较差。移动终端的移动通信网络环境所支持的传输速率随时间和地点变化,利用视频通信性能优化方法,进行带宽探测和视频传输控制,可解决终端视频的实时性和画面质量较差等问题,提高终端视频的体验质量(Quality of Experience,QoE)。因此,宽带数字集群终端视频通信性能优化方法的研究具有重要意义。本文在综述了国内外宽带数字集群系统和视频通信性能优化的研究现状的基础上,研究并实现了宽带数字集群终端视频通信性能优化,主要工作如下:1.构建了一种基于视频通信性能优化的宽带数字集群终端软件架构,该架构具有耦合性低和重用性高的特点,解决了现有宽带数字集群终端不支持视频通信性能优化的问题;2.提出了一种基于动态融合因子的带宽探测算法,利用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)预测终端未来地理位置,引入基于位置预测的动态融合因子,对基于拥塞控制的带宽探测算法进行改进,提高了带宽利用率;3.提出了一种基于场景的视频传输控制算法,根据视频图像的亮度信息和空间感知信息,利用基于自适应阈值的帧间复杂度检测(ICDAT,Inter-frame Complexity Detection based on Adaptive Threshold)算法检测场景切换,并根据场景切换检测的结果和带宽探测的结果,动态地调整终端视频的分辨率和码率,提高了视频QoE。仿真结果表明,与传统的场景切换检测算法相比,所提出的ICDAT算法提高了视频场景切换检测的查全率、查准率以及有效性;4.基于Android操作系统,使用C语言和Java语言,开发了视频通信功能、基于动态融合因子的带宽探测以及基于场景的视频传输控制等模块,实现了宽带数字集群终端视频通信性能优化;5.搭建了宽带数字集群终端视频通信性能优化方法验证平台,设计了宽带数字集群终端视频体验质量评估方法。给出了验证内容,验证了视频通信功能、地理位置预测的性能以及场景切换检测的性能,并对带宽探测和视频通信性能优化的有效性进行了验证。验证结果表明,所实现的视频通信性能优化方法满足宽带数字集群终端对视频画面质量、视频卡顿程度以及视频实时性等指标的要求。

关键词：宽带数字集群视频通信带宽探测视频传输控制

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多媒体文件传输嵌入式终端接收能力的匹配

重庆大学学报（自然科学版） 2010年第8期33卷 29-35页

作者：王海威倪宏孙鹏朱小勇中国科学技术大学中科院网络传播系统与控制重点实验室安徽合肥230027 中国科学院声学研究所国家网络新媒体工程技术研究中心北京100190

提出了一种在网络带宽充足的条件下,能够匹配嵌入式终端接收能力的大型多媒体文件传输协议EMFTP(embedded multimedia file transfer protocol,嵌入式媒体文件传输协议)。该协议是基于UDP的应用层传输协议,采用统一重传的差错恢复策略,... 详细信息

提出了一种在网络带宽充足的条件下,能够匹配嵌入式终端接收能力的大型多媒体文件传输协议EMFTP(embedded multimedia file transfer protocol,嵌入式媒体文件传输协议)。该协议是基于UDP的应用层传输协议,采用统一重传的差错恢复策略,并引入了基于带宽探测的递减式加增乘减速率控制算法,在尽可能的降低嵌入式接收端的资源占用前提下,提高数据传输速率。实验表明,与传统的UDT和FTP传输协议相比,EMFTP的数据传输速度分别提高了3%和17%,接收方终端的CPU占用率分别降低50.3%和42.3%,内存占用率降低15%和4%。

关键词：网络协议嵌入式终端流量控制差错恢复带宽探测

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一种嵌入式系统多媒体文件快速传输协议

小型微型计算机系统 2011年第2期32卷 208-213页

作者：王海威倪宏朱明孙鹏朱小勇中国科学技术大学中科院网络传播系统与控制重点实验室网络传播系统与控制安徽省重点实验室安徽合肥230027 中国科学院声学研究所国家网络新媒体工程技术研究中心北京100190

随着嵌入式和多媒体压缩技术的发展,嵌入式终端在高清媒体领域扮演了愈来愈重要的角色.由于高清媒体的高带宽需求,多采用先下载后播放的方式,因此如何将大型多媒体文件通过网络快速传输到嵌入式终端上,成为一种迫切需求.在研究传统传输... 详细信息

随着嵌入式和多媒体压缩技术的发展,嵌入式终端在高清媒体领域扮演了愈来愈重要的角色.由于高清媒体的高带宽需求,多采用先下载后播放的方式,因此如何将大型多媒体文件通过网络快速传输到嵌入式终端上,成为一种迫切需求.在研究传统传输协议的基础上,立足于对嵌入式系统特点的分析,提出一种适用于嵌入式终端的大型多媒体文件传输协议EMFTP(Embedded Multimedia File Transfer Protocol,嵌入式媒体文件传输协议).该协议采用统一重传的差错恢复策略,并引入了基于带宽探测的改进的DAIMD速率控制算法.实验表明,与传统的UDT和FTP传输协议相比,EMFTP的数据传输速度更快,系统资源消耗更少.

关键词： EMFTP 文件传输协议嵌入式终端差错恢复带宽探测速率控制

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NDN网内拥塞控制机制研究

NDN网内拥塞控制机制研究

作者：罗强江苏大学

学位级别：硕士

近年来,随着互联网的高速发展,网内数据量急剧增加,用户访问网络所关注的重心已转变成内容本身;面对互联网需求的改变,传统面向端到端连接的TCP/IP网络已经无法满足大数据时代的用户需求。为了应对传统网络架构的不足,命名数据网络（Nam... 详细信息

近年来,随着互联网的高速发展,网内数据量急剧增加,用户访问网络所关注的重心已转变成内容本身;面对互联网需求的改变,传统面向端到端连接的TCP/IP网络已经无法满足大数据时代的用户需求。为了应对传统网络架构的不足,命名数据网络（Named Data Networking,NDN）悄然而生,已成为下一代互联网体系研究的重点。NDN采用网内分布式缓存与命名路由机制,有效改善了网内数据分发能力。但是,由于多源多路径现象的存在,NDN依然面临严峻的拥塞控制挑战,而其全新的网络架构,使得传统TCP/IP架构下的拥塞控制机制无法直接应用。因此,如何设计适用于NDN的拥塞控制方案,成了保障NDN传输性能的重要研究内容。面对NDN中拥塞控制问题,现有方案主要分为两种:接收端拥塞控制和网内拥塞控制。前者以控制客户端请求速率为主,以此减少网内传输流量,但仅依赖客户端网络性能来评估网络拥塞状态,准确性不足;而后者则以路由侧流控为主,强调以路由节点为中心,在网内协调控制流量的转发。相对于接收端拥塞控制,网内拥塞控制可在网内各节点进行拥塞状态检测,更为准确。因此,本文以网内拥塞控制为研究目标,从网络资源利用率和客户端服务质量两方面入手,对NDN拥塞控制机制进行探索,本文的主要研究内容如下:（1）网络资源的充分利用是衡量网络是否高效运行的一个重要标准,而从拥塞控制的角度出发,如何在保障网络不发生拥塞的条件下,最大化网络带宽利用率,成为了衡量拥塞控制方案性能优良的重要指标。鉴于此,本文提出了一种基于BBR（bottleneck bandwidth and round-trip time）的逐跳拥塞控制机制（BBR-HBH）。该机制一方面将多跳传输的过程划分为多段单跳的传输形式,各路由节点利用虚拟兴趣包独立探测各链路单元的带宽资源与传输时延;另一方面,该机制在传输过程中,设立了带宽协调机制,利用兴趣包和数据包在网内的传输,整体协调各链路单元带宽资源,避免资源利用过程中的冲突,最大化网内带宽资源利用率。仿真结果表明,与ICP（Interest Control Protocol）机制相比,BBR-HBH能够有效适用于NDN网络,较好提升网内链路的带宽利用率。（2）网络性能的高低,直接体现在用户获得的服务质量的好坏上。面对急剧增长的网络流量,现有传输协议往往采用的是一视同仁的处理机制,无法有效的对流进行区分,在网络发生拥塞时,表现为所有用户均获得较差的服务质量。面对这一问题,本文提出了一种基于用户身份认证的NDN拥塞控制机制（IACCM）。该机制中,网络根据链路状态,以用户的身份为凭证,控制网络流量的接入,达到拥塞控制的目的;拥塞控制过程分为权限申请和接入控制两部分:（a）权限申请。用户在获取权限的过程中,需要将自身的公钥和身份信息发送给运营商,运营商在接收到用户的申请信息后,利用自身的私钥与用户的公钥生成特殊的身份凭证,并通过安全通道返回给用户;同时,运营商还需在路由节点上预配置自身的私钥,用于用户的身份校验。（b）接入控制。用户在发送兴趣包请求前,利用自身的私钥和获取的身份凭证对身份信息进行重加密,生成数字签名;当路由节点收到兴趣包后,利用预配置的运营商私钥对兴趣包发送者的身份进行校验,并通过队列长度判断链路的拥塞程度;根据拥塞程度的不同,优先转发授权用户的兴趣包请求,概率接入非授权用户的兴趣包请求。仿真结果表明,相比于ASFP（A state forwarding plane）机制,IACCM机制下授权用户在兴趣包满足率、兴趣包重传率、往返时延和带宽占用率上均具有较高的性能,在应对网络变化时,适应性较高。

关键词：命名数据网络拥塞控制资源调度带宽探测重加密身份认证服务质量

一种新型的Ad Hoc无线链路探测算法研究

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微计算机信息 2009年第36期25卷 119-121,99页

作者：唐玏马立香电子科技大学通信与信息工程学院网络工程系四川成都610054

无线Ad Hoc网络中无线资源非常紧缺,高效利用链路资源的重点和难点在于链路状态的探测。本文结合跨层设计思想、传输捎带技术,提出了一种较为准确的无线链路带宽探测算法,通过理论推导,以及对仿真实验结果的分析,验证了算法的正确性和... 详细信息

无线Ad Hoc网络中无线资源非常紧缺,高效利用链路资源的重点和难点在于链路状态的探测。本文结合跨层设计思想、传输捎带技术,提出了一种较为准确的无线链路带宽探测算法,通过理论推导,以及对仿真实验结果的分析,验证了算法的正确性和准确性,以及在探测开销方面的优势,并展望了算法在QoS路由协议的应用。

关键词：无线自组织网跨层设计捎带带宽探测