基于效用函数的网络带宽分配模型的研究

摘要

资源分配是任何一个分布式网络系统中的核心问题。在这类系统中，系统资源的总量总是要小于对其的需求量，资源共享是不可避免的。有共享就有分配，如何能够合理的分配这些共享资源，是本文所需要研究的重要问题。 本文主要研究基于效用函数的网络带宽分配问题，主要内容包括微观经济学中的资源分配模型，相关微观经济学概念的介绍，以及现有互联网中的各种端到端的TCP算法和AQM算法的微观经济学含义。接着我们将具体研究两种基于效用函数的网络带宽分配方法。 首先，我们将利用矩阵广义逆理论，结合基于效用函数的网络带宽分配模型，提出路由器层的带宽分配模型。在路由器层的带宽分配模型中，各个流所占用的带宽由路由器来决定，源端TCP系统不再具有调节带宽占用量的功能。此外，由于路由器主动决定带宽占用量，所以更能有效的避免网络拥塞现象的发生，并可以隔离恶意用户流(Malicious Flow)和非弹性流(Non-elastic Flow)，使得各种弹性应用的带宽占用量不受它们的影响。本文将证明路由器层带宽分配模型和现有的以源端调节为中心的基于效用函数的网络带宽分配模型的等价性，即它们都可以最大化所有用户的效用函数之和，且效用函数的和是相等的；此外，通过这两种模型所得到的各条流的带宽分配也是相同的。 其次，本文还将提出一个基于效用函数的网络带宽分配模型的扩展模型。目标是改善TCP协议的带宽分配公平性，特别是TCP Reno对往返时延较长的流的偏见性。在该模型中，我们将每条链路的公平性指数作为一个约束条件，将通过该条链路的各个流的带宽分配的差别限制在一定范围之内。我们还将讨论在这个模型中效率和公平性的折中性问题，并提出相应的解决方法。然后，我们将通过优化理论得出一个分布式的算法来实现这个模型。在此基础之上，本文还将利用区分丢包的思想，在TCP Reno-RED系统中实现上述理论分析结果。模拟实验结果表明，使用该扩展模型可以有效的改善TCP-Reno对往返时延较长流的偏见性，从而得到较为理想的带宽分配结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1问题描述

1.2研究内容

1.3论文结构

2相关背景介绍

2.1互联网中的TCP拥塞控制协议

2.2 TCP协议

2.3主动队列管理(AQM)

2.4互联网中的带宽分配

2.5带宽分配的公平性问题

2.5.1最大-最小公平性(Max-min Fairness)

2.5.2比例公平性(Proportional Fairness)

2.5.3最小潜在时延公平性(Minimum Potential Delay Fairness)

2.5.4加权公平性(Weighted Fairness)

3网络带宽分配的微观经济学模型

3.1相关经济学概念

3.1.1资源与实体

3.1.2价格、预算和需求

3.1.3收费策略(Pricing Policy)

3.2基于价格的网络带宽分配的微观经济学模型

3.3现有网络协议的微观经济学含义

3.3.1 TCP Reno协议

3.3.2 FAST TCP协议

3.3.3 RED协议

4在路由器层实现基于效用函数的网络带宽分配

4.1路由器层网络带宽分配的一般模型

4.2路由矩阵为行满秩矩阵

4.3每条链路至少有一条单跳流

4.4目标函数和链路聚合速率的关系

5基于效用函数的网络带宽分配模型扩展研究

5.1扩展的原理与方法

5.2一个具体的例子：公平性指数约束

5.2.1公平性指数约束模型

5.2.2效率问题

5.2.3分布式算法

5.2.4稳定性分析

5.2.5模拟结果

5.3在TCP Reno-RED系统中现实公平性指数约束

5.3.1将公平性指数约束应用到TCP Reno-RED系统中

5.3.2使用Exponent Weighted Moving Average来测量流速率

5.3.3使用缓存来测量流速率

5.3.4模拟结果

5.3.5效率问题

6结论与展望

参考文献

在校期间完成的科研工作

致谢