面向網(wǎng)絡(luò)加速的傳輸控制優(yōu)化若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高速、無線和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的普及，使針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有傳輸控制機(jī)制面臨效率和公平性問題。此外，互聯(lián)網(wǎng)的開放性使其遭受大量的攻擊威脅，特別是面向傳輸控制協(xié)議(TCP)的低速率拒絕服務(wù)攻擊。針對(duì)以上問題，本文先從路由器的隊(duì)列管理出發(fā)，研究增強(qiáng)的主動(dòng)隊(duì)列管理算法以抵抗面向TCP的拒絕服務(wù)攻擊，同時(shí)設(shè)計(jì)了近似公平的隊(duì)列管理機(jī)制;圍繞高帶寬時(shí)延積(Bandwidth DelayProduct，BDP)網(wǎng)絡(luò)和有損網(wǎng)絡(luò)中TCP的公平性和傳輸效率問題，本

2、文設(shè)計(jì)融合網(wǎng)絡(luò)擁塞度的自適應(yīng)TCP協(xié)議，并且增強(qiáng)了應(yīng)用于背景流傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級(jí)傳輸協(xié)議。此外，本文融合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子和流速率因子，提出面向高BDP網(wǎng)絡(luò)的速率抑制的自適應(yīng)異步反饋傳輸協(xié)議。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方面，針對(duì)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保證和TCP Incast問題（即數(shù)據(jù)中心多對(duì)一的傳輸方式導(dǎo)致的吞吐量崩塌），構(gòu)建了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)編碼和調(diào)度的傳輸框架。概況起來，本文研究主要取得了以下成果:
　　1.設(shè)計(jì)了抗攻擊和近似公平的路由器主動(dòng)隊(duì)列管理算法。在開

3、放互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，攻擊事件頻發(fā)，而低速率拒絕服務(wù)攻擊則對(duì)TCP性能造成了極大影響，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。在流信任建模的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了抗攻擊的隨機(jī)早期檢測(cè)(RED)增強(qiáng)算法。此外，基于流采樣模型和改進(jìn)的最近最久未使用(LRU)的緩存管理策略，設(shè)計(jì)了低復(fù)雜性的近似公平的主動(dòng)隊(duì)列管理(Active Queue Management，AQM)算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上算法可有效增強(qiáng)TCP協(xié)議的傳輸性能。
　　2.設(shè)計(jì)了融合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和流速

4、率因子的異步反饋傳輸協(xié)議。在顯式反饋傳輸協(xié)議方面，負(fù)載感知協(xié)議以其較優(yōu)的性能和簡(jiǎn)單且可部署受到廣泛關(guān)注。但已有研究表明，其存在收斂速度上的不足，需進(jìn)一步探討。針對(duì)該問題，本文提出異步反饋的設(shè)想（高負(fù)載時(shí)根據(jù)流的速率因子確定反饋），以保證協(xié)議能快速收斂到高鏈路利用率，同時(shí)提升協(xié)議的不同流之間收斂于公平的速度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該協(xié)議相比已有研究在效率和公平的收斂速度方面有較好性能。
　　3.設(shè)計(jì)了自適應(yīng)虛擬并行傳輸協(xié)議。在高BDP和

5、有損網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)TCP協(xié)議的加性增和乘性減小的不足，以及對(duì)鏈路丟包率的高要求，使其面臨傳輸效率低的問題。在利用顯式擁塞通知(ECN)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞度的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)虛擬并行的傳輸協(xié)議，利用估計(jì)的擁塞度動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬并行度，以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男什⒕S持TCP友好性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能在高BDP和有損網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的吞吐量性能，同時(shí)維持與標(biāo)準(zhǔn)TCP流的公平性。
　　4.設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的低優(yōu)先級(jí)背景流傳輸協(xié)議。對(duì)于部分實(shí)

6、時(shí)性要求不高的應(yīng)用，如自動(dòng)備份、軟件更新和P2P應(yīng)用等，由于它們可忍受更長(zhǎng)的完成時(shí)間，使得以往公平的盡力而為的資源共享方式不再是其主要目標(biāo)。因此，低優(yōu)先級(jí)的傳輸控制協(xié)議受到關(guān)注和研究。然而，過于保守的擁塞窗口調(diào)整策略（如LEDBAT中的線性增長(zhǎng)）使得已有低優(yōu)先級(jí)協(xié)議在高BDP和有損網(wǎng)絡(luò)上面臨效率不高的問題。針對(duì)該問題，本文在LEDBAT協(xié)議的基礎(chǔ)上，利用前向的單向排隊(duì)時(shí)延測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，進(jìn)而自適應(yīng)調(diào)整擁塞窗口更新的激進(jìn)性，以達(dá)到提升

7、效率和維持低優(yōu)先級(jí)特性的目標(biāo)。此外，融合非擁塞丟失檢測(cè)機(jī)制，使協(xié)議能應(yīng)用于有損網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（如無線網(wǎng)絡(luò)）。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，該協(xié)議能獲得較優(yōu)的鏈路利用率并維持低優(yōu)先級(jí)傳輸特性。
　　5.設(shè)計(jì)了快速和高效的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸框架。數(shù)據(jù)中心多對(duì)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其數(shù)據(jù)傳輸存在TCP Incast問題，嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。已有研究提出修改端主機(jī)協(xié)議、交換機(jī)調(diào)度和融合機(jī)制等加以改善，但仍存在不足?？紤]到流的大小和服務(wù)時(shí)間的限制，本文提出端主機(jī)