网络拥塞问题探析与`控制策略.doc

网络拥塞问题分析及控制策略 　　摘 要 网络拥塞问题的分析与控制是一个涉及控制理论、优化理论的计算机网络体系结构中的一个复杂问题，它从计算机网络出现不久至今就一直成为网络领域的一个重要的核心问题。本文首先提出了网络拥塞的概念、表现和影响并分析其产生的原因，接着对网络拥塞的控制机制进行了分析并对可能的力图解决该问题的两类思想和方法进行了适用环境和各自优势的对比：一方面是基于在数据发送端实现的源算法，另一方面是基于尽可能准确的网络资源评估、预测，且部署在网络中间环节的主动队列管理等方面的算法。在研究中，本文对当前流行的一些网络拥塞控制算法进行了一定的分析和阐述，指出了TCP /IP网络体系结构中目前主要的一些拥塞控制机制、策略偏重和改进思想，对今后的拥塞控制机制的发展和应用前景进行了一定的展望 【关键词】拥塞控制 网络体系结构 源算法 当前以计算机网络为核心的技术与部署在人们生活中占据了非常重要的作用，高速网络、移动网络、物联网等应运而生且发展极为迅猛。互联网及其各种应用和服务频繁地出现在我们日常生活中。随着人类对网络产生的前所未有的依赖性，网络的通畅与否就显得极为重要。但是，由于网络资源分配的不均衡，技术的更新不同步，就会出现由于效率不匹配等导致的拥塞问题。而且，如果这种网络拥塞问题解决不好将会使得网络提供的服务越来越差甚至恶化至崩溃。正因如此，网络研究领域一直关注网络拥塞问题及其控制，力求改善拥塞控制的算法与实现，使得网络资源的利用率和公平性达到的最优 1 网络拥塞问题分析 1.1 网络拥塞问题的提出 计算机网络的资源包括链路带宽、核心设备（路由器、核心交换机等）的缓存大小和处理能力。如果在某一个相同时间段内，有许多端系统对同一网络资源提出请求、发出负载并进行资源竞争，可能超过计算机网络可用资源的承受力，网络的有效运行状态就会迅速降低，甚至趋于恶化直至崩溃，这就是网络拥塞问题 1.2 造成网络拥塞问题的可能因素 网络拥塞问题的形成是有诸多原因的。网络拥塞问题是用户或端系统需要的资源或性能超过了以计算机网络为核心的系统的负载、处理和服务能力。它表现为数据包传输速率变慢、丢失的可能性增大、网络性能变糟甚至急剧恶化或崩溃。经过分析，网络拥塞问题主要是由以下几个方面产生： （1）网络核心设备缓存不足。一个输入端口有多个数据流同时输入时，这些输入流就需要排队，数据包在存储空间不够的情况下可能被丢弃，造成时钟超时和数据包重传。但是，单纯的变大存储空间对解决这个问题的能力是有限的甚至由于网络资源的不均衡造成负面影响 （2）网络带宽不足或系统规划、升级不合理造成网络带宽出现瓶颈问题 （3）网络核心设备的处理能力低或服务能力不均衡造成瓶颈问题 因此，网络中资源的有限性和不均衡性，随着网络用户需求的急剧增大，如果没有有效的控制机制，以计算机网络为核心的各种应用和服务将得不到有效的保障 1.3 网络拥塞问题的特点 拥塞问题是一个复杂的、全局的问题。例如，当一个路由器的缓存空间不足时，一些新到的分组就会被丢弃，由此将造成大量的重传包，降低整个网络的有效吞吐率 因此，在提出拥塞控制策略时需充分考虑它的整体性，它与网络端系统、路由器及链路性能等都有关系。因此，拥塞控制方法及策略不是一个局部问题而是一个全局问题，因此这个问题的研究具有很大的难度和挑战 拥塞控制问题也不是一个静态问题，它是动态变化的。有些时候，引起网络性能恶化可能正是拥塞控制机制本身造成的。所以对于拥塞控制策略与算法等的评估就既重要又复杂 1.4 拥塞控制机制的评价标准 网络拥塞控制本质上影响着整个互联网的正常工作与发展趋势，因此在对其控制策略与算法进行评价时力求保证其全局性和系统性 1.4.1 稳定性（Stability） 稳定性是指实现了拥塞控制算法的系统不受外界因素影响，始终保持在平衡状态（平衡点附近），满足这种条件的算法符合系统稳定性的要求 1.4.2 公平性（Fairness） 若多用户同时对资源进行需求和消费，资源分配的公平性就成为拥塞控制的一个重要问题 最大-最小公平性（Max-Min Fairness）。若每个用户都需要一个带宽的线性效用函数（最大-最小公平性配置就是一个Pareto最优）。一个具有带宽非线性效用函数的用户，由最大-最小公平性的概念可知，他根本无法实现平均分配带宽。因为，最大-最小公平性规定了带宽分配最大值：如果每个用户都渴望占有最多的带宽，每个用户的最大-最小分配带宽就是他们的极限值。但是，最大-最小公平性只存在于理想的情境下，不能看出公平性。另一种公平性-均衡公平性（Pro-portional Fairness）可以适用，即若有向量X，对任一向量