基于网络编码的多播路由与拥塞控制的研究

摘要

IP多播（也称为组播或多址广播）是一种允许一台或多台主机（多播源）同时发送数据包到多台主机的网络技术。多播能有效节省网络带宽，并且已经被广泛应用在包括即时通讯、在线游戏、网络视频会议和多媒体远程教育等方面。网络编码是近年来通信科学的一个热门研究领域。使用网络编码后，网络通信的中间节点不再直接转发数据包，而是将收到的一些数据包编码成一个新的编码包后再转发出去，目的节点将其接收到的编码包解码得到原始数据。网络编码和多播技术结合，可以显著提高多播的吞吐率、鲁棒性、可扩展性等多方面的性能。本文主要研究以下三个方面的内容:
　　(1)基于网络编码的多播路由协议
　　已有的基于网络编码的多播研究主要集中在应用层多播上。应用层网络的链路共享底层物理链路的带宽，应用层上的节点并不知道底层的链路容量、链路特性和拓扑结构，并且应用层网络上数据包的传输有额外的延迟。因此，应用层网络上的网络编码多播很难达到理论的多播容量。文中提出了一个IP层的基于网络编码的多播路由协议，称为NCMRP。多播源通过广播路由报文来找到源节点到每个目的节点的多条不相交路径，这些路径共同构成了多路径的多播拓扑。多播数据包在多条路径上同时传输，并且中间节点可以对其收到的数据包进行重编码，从而有效的提高多播吞吐率。通过搭建一个支持网络编码和多种多播路由协议的网络原型系统对NCMRP协议进行验证，实验数据表明NCMRP协议较已有的多播路由协议大幅的提高了多播的吞吐率。
　　(2)基于网络编码多播的拥塞控制
　　已有的基于网络编码多播的研究工作通常假设网络中的链路容量已知并且恒定不变。在实际的网络系统中，路由器很难获取动态不断变化的可用链路带宽。因此，需要拥塞控制机制在避免网络拥塞的前提下充分利用链路带宽。此外，拥塞控制机制还应兼容TCP。然而，网络编码允许路由器将多个网络流的数据融合在一起，并且多路径多播拓扑中的节点可能有多个下游节点，所以对网络编码多播流的拥塞控制非常复杂和困难。文中提出了一个基于网络编码多播的拥塞控制机制。该机制为多播源到目的节点的每条路径单独维护一个拥塞窗口，并用类似TCP的拥塞控制算法调整每个窗口的大小，从而保证每个目的节点以最大速率接收数据。通过在网络原型系统中的实验表明，该拥塞控制机制能比传统多播和单速率的网络编码多播达到更高的吞吐率，并且能动态适应变化的网络带宽，并保证TCP友好性。
　　(3)基于网络流的大小和截止时间的TCP拥塞控制
　　为了得到更好的用户体验，大规模的面向用户的数据中心服务都有截止时间限制。数据中心服务大都采用分割-汇聚的工作模式，用户请求被分割给后台的服务器集群，服务器集群返回的结果被聚合成最终结果再反馈给用户。因此，数据中心内部由于分割和汇聚而产生的突发性的网络流也都有严格的截止时间限制。超过截止时间的网络流并不会被包含到最终结果里，会降低数据中心服务质量，还浪费了珍贵的计算资源和网络带宽。文中提出了一个基于网络流的大小和截止时间的TCP拥塞控制算法，称为DSTCP。DSTCP根据每个网络流的大小，截止时间以及网络的拥塞程度来控制其拥塞窗口的大小。DSTCP不需要对路由器的软件和硬件进行任何修改，并且可以和TCP协议兼容，方便部署到大规模的数据中心网络。实验结果表明，相比已有的数据中心拥塞控制算法，DSTCP显著的降低了超过截止时间的网络流的数量，此外还达到更高的吞吐率并且占用路由器缓存较少。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 网络编码多播概述

1．1．1 网络编码的特点及应用

1．1．2 基于网络编码的多播研究

1．2 基于网络编码的协议设计的挑战

1．2．1 多路径的多播路由协议

1．2．2 多路径多播的拥塞控制

1．2．3 数据中心网络的拥塞控制

1．3 本文的主要研究内容和贡献

1．4 本文的组织

第2章 背景知识

2．1 多播

2．2 多播拥塞控制

2．3 网络编码

2．3．1 最大流最小截定理

2．3．2 网络编码的概念

2．4 数据中心网络

第3章 基于网络编码的多播路由协议

3．1 绪论

3．2 基于网络编码的多播路由协议简述

3．3 多播路由拓扑建立

3．3．1 多播路由报文广播

3．3．2 多路径选择算法

3．3．3 建立多路径多播拓扑

3．4 多播数据包编码转发

3．4．1 编码包发送和转发

3．4．2 编码调度策略

3．5 网络原型系统

3．6 实验模拟及结果分析

3．6．1 建立多播拓扑时间

3．6．2 路由协议吞吐率

3．6．3 传输时间

3．6．4 带宽消耗

3．6．5 编码调度策略

3．7 本章总结

第4章 基于网络编码多播的拥塞控制

4．1 绪论

4．2 网络编码多播的网络模型

4．3 多速率多播服务

4．3．1 多速率多播服务概述

4．3．2 目的节点请求

4．3．3 源节点回应请求

4．4 基于窗口的拥塞控制策略

4．5 实验模拟及结果分析

4．5．1 收敛性

4．5．2 友好性

4．5．3 吞吐率

4．6 本章总结

第5章 基于网络流的大小和截止时间的TCP拥塞控制

5．1 绪论

5．2 DSTCP拥塞控制协议简介

5．3 拥塞控制算法描述

5．3．1 网络拥塞级别测量

5．3．2 流的优先级设置

5．3．3 窗口减小策略

5．3．4 窗口增加策略

5．4 拥塞控制协议分析

5．5 实验模拟及结果分析

5．5．1 非公平的带宽竞争

5．5．2 长网络流的性能

5．5．3 短网络流的性能

5．5．4 权值的影响

5．6 本章总结

第6章 研究工作总结与展望

6．1 本文的研究内容和成果

6．2 将来进一步工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果