丁慧-无线网络的拥塞控制

1、无线网络环境下的拥塞控制,报告人：丁慧,研究背景,无线网络以其免布线、移动性、组网灵活性以及综合组网成本低等优势，成为网络发展的必然方向。 无线网络在可用带宽、网络延时、链路的误码率等方面和有线网络有非常大的区别，因此无法直接将应用于有线网络中的拥塞控制算法直接运用于无线网络。 拥塞控制是确保internet鲁棒性(robustness)的关键因素，也是各种管理控制机制和应用(如多媒体通信中QoS控制、区分服务）的基础,无线网络的三种基本类型,蜂窝网络（应用最为广泛） Adhoc网络 卫星网络,无线网络的拥塞控制方法,TCP协议性能的改进（研究的比较多） 中间节点的主动队列管理AQM（Acti

2、ve Queue Management） 引入控制理论联合优化,TCP协议性能的改进,Internet上95的数据流使用的是TCP/IP协议 TCP的协议性能的改进对无线网络的拥塞控制具有特别重要的意义,TCP协议性能的改进,目前Interact实际使用的TCP Reno版本： 分组丢失 网络拥塞 无线环境： 网络拥塞：降低发送速率 分组丢失 信道错误：重传,TCP协议性能的改进（蜂窝网络）,方案一： F-TCP（分段处理方式） 原理：在有线链路段(固定主机FH到基站)和无线链路段(移动主机MH到基站)分别采取不同的策略，有线段使用标准TCP，无线段采用适于无线环境的改进协议 缺点：修改MH和

3、中间结点的TCP，因此破坏了TCP连接的端对端语义。,TCP协议性能的改进,方案二： Snoop TCP、不完全应答法ACKP和WTCP 原理:方法一的改进，在基站设置TCP代理，它缓存每个分组。当无线链路出现错误，由代理重传。只要发送端的分组到达代理，它就回应ACK。因此发送端可以不断地发送，避免无线环境错误率导致吞吐量的下降 缺点：不改变TCP的端对端语义，但采用了TCP缓存在代理中保留通讯数据的“软”状态。,TCP协议性能的改进,方案三：显式拥塞通知ECN、显式丢失通知ELN和坏状态通知EBSN 原理：采用链路层将链路环境状态作为TCP的选项，放到ACK中反馈到TCP发送端，通知发送端链

4、路在拥塞/非拥塞时丢失数据包的情况，由发送端依此采用相应的拥塞控制 缺点：实现困难，因为需要修改中间结点和发送端的TCP协议；不适合加密网络。,TCP协议性能的改进,方案四：前向纠错(FEC)和自动重传请求(ARQ) 原理：在链路层采取措施区分析数据丢失的原因，然后启动局部的快速重传机制。可以增加高层协议独立通信的可靠性，比较适合高误码率无线链路。 缺点：链路层重传可能会和TCP重传相互干扰。,TCP协议性能的改进,方案五： Vegas NCJ (TCP Vegas with non-congestion judgment) 原理：前面的方法是从试图减少非拥塞性分组丢失的角度考虑的，该方案则认

5、为应该让TCP知道无线错误的存在，进而加以处理 优点：能够处理多分组的丢失当多个分组丢失时，不会导致超时,Vegas NCJ,Vegas 思想:通过RTT的测量值来控制窗口变化并计算发送端可发送的分组数目，以避免分组丢失。 RTT观察值增大，Vegas认为网络中出现拥塞并限制窗口大小； RTT减小，则认为网络拥塞已解除，增加窗口； 这样窗口在一个理想的环境下就可以稳定到一个适当的值。确切地说，在拥塞避免阶段，窗口变化如下：,Vegas,cwnd+1 ; if diffa cwnd= cwnd ; if a diff b cwnd-1 ; if bdiff 其中baseRTT是最小采样得到的RT

6、T值，a和b是常数,Vegas NCJ,Vegas NCJ试图在缓存中保持a个分组，但不超过b个分组。 用diff值来测量在网络中此连接占用了多少额外的带宽： diffN，分组丢失可能是由于拥塞引起的，减小窗口; diffN，分组丢失可能是由于链路错误引起，不减小窗口大小； 其中N是设定的阈值,仿真结果分析,仿真模型： NS 仿真拓扑图： 包含3个节点：固定主机FH，基站BS和移动主机MH。在固定主机与基站之间为有线链路。在基站与移动主机之间为一条存在分组丢失可能的无线链路。 分组大小固定为512字节，窗口a和b设置为1和3,TCP Vegas 连接的cwnd的动态特性,无链路错误时TCP V

7、egas的窗口大小,TCP Vegas 连接的cwnd的动态特性,分组错误率为p=0.1 当检测到分组丢失,TCP Vegas将窗口减半，降低吞吐量。,Vegas NCJ连接的cwnd的动态特性,窗口大小明显得到提高。 这说明由于能够判断分组丢失的原因，发送端可以发送更多分组而不必减小窗口。提高了无线链路的利用率。,不同分组错误率条件下，不同版本TCP的吞吐量,Reno、TCP Vegas和Vegas NCJ,结论,分组错误率较低：Vegas NCJ与一般TCP Vegas性能几乎一样。 分组错误率较高：Vegas NCJ的无线链路利用率明显要高很多。 Vegas NCJ提供了一个非拥塞判断的

8、方法，它通过测量占用网络缓存的分组来侦测可能的拥塞，避免了不必要地降低窗口。 这种方法提供了一个提高无线网络利用率的机制，同时仅需要在发送端做一些修改。,主动队列管理AQM,拥塞指标： 延迟 排队长度 因此，可通过检测排队队长的波动来判断拥塞的出现。,主动队列管理AQM,思想：通过主动的丢弃或标记分组来维持一个稳定的队列目标长度，达到减小排队时延和保证较高的吞吐量的目的。,主动队列管理AQM,优点： 减少网关的报文丢失.使用AQM 可以保持较小的队列长度,从而增强网关容纳突发流量的能力. 减小报文通过网关的延迟.减小平均队列长度可以有效的减小报文在网络设备中的排队延迟. 避免死锁（lock-o

9、ut） 行为的发生. RED是最著名AQM算法.,RED ( Random Early Detection),RED ：Proportional 控制器低通滤波器计算反馈. Proportional 控制器的基本形式为: 其中p是包丢失的概率，k 是计算使用的比例系数，qi是队列长度 为了减小“瞬时抖动”对反馈计算的影响, RED 引入了低通滤波器 将上式中的队列长度qi 使用平均队列长度qave代替.平均队列长度使用EWMA( Exponential Weighted Moving Average)计算: 其中w 是计算的权重.,RED ( Random Early Detection),丢

10、包概率计算,RED ( Random Early Detection),它通过以一定概率丢失或标记报文通知端系统网络的拥塞情况. RED 使用平均队列长度度量网络的拥塞程度,然后以线性方式将拥塞信息反馈给端系统统. RED 使用最小阈值(minth)、最大阈值(maxth)和最大概率(maxp)等几个参数 。,RED ( Random Early Detection),Proportional 控制器 优点：实现简单、反应速度快 缺点：控制存在“稳态差”(steady-state error),这是平均队列随网络流量增长的主要原因 低通滤波器 缺点：降低了系统的反应速度，固定的w 不能适应不同

11、速率的网络链路,引入控制理论联合优化,从控制的角度看，网络是一个典型的复杂自适应系统，可以看成一个分散控制与决策问题 国外在拥塞控制研究方面基本上已转向严格的数学上的动力学分析, 借助于非线性动力学方法、控制与优化理论分析现有拥塞控制的稳态与动态性能以便于设计新的拥塞控制算法,展望,随着无线网络研究的深入和逐渐应用，拥塞控制成为大规模无线网络应用的重要研究方向之一。 通过对目前已有的无线网络拥塞控制机制的分析，未来可以在以下几个方面进一步深入研究： a)基于端到端数据传输的拥塞控制机制不符合传感器网络特点。 b)缺乏合理的拥塞控制体系。 c)基于中间件的拥塞控制机制。,参考文献,1章淼、吴建平

12、、林闯,互联网端到端拥塞控制研究综述，软件学 报 Vol.13, No.3 2焦翠珍，一种改进的自适应无线网络拥塞控制方案，福建电脑2006年第9期 3文远保、石正贵，无线网络的拥塞控制机制研究，计算机工程与科学 2004年第26卷第10期 4刘拥民、蒋新华、年晓红、鲁五一，无线网络拥塞控制最新研究进展，计算机工程与应用，200743（24） 5肖甫、王汝传、孙力娟、王华顺，基于TCP友好的无线网络拥塞控制机制研究，计算机科学V0137 NO7 6商彦磊，无线网络拥塞控制及分组调度策略的研究，山东大学硕士论文 7李斌，无线网络下TCP拥塞控制的研究，西北工业大学硕士论文 8刘文军，浅谈拥塞控制技术的发展，科学论坛 9闫友彪 、陈元琰、罗晓曙、陶小梅，Internet 拥塞控制研究的最新进展分析与展望，计算机应用研究2005 年 10 Ning Jia、Lei An，Analysis of Congestion Control Strategy for Wireless ，Network 11陈雪，无线网络拥塞控制研究，跨世纪2009年3月第17卷第3期C 12 Hari Balakrishnan、 Venka