基于遺傳算法的網絡擁塞控制分析

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1、第一章引言1.1研究背景和意義現(xiàn)今，網絡在我們的生活和工作中扮演著越來越重要的角色，可以說，我們已經離不開網絡，而網絡也在爆炸性增長，網絡的應用領域在不斷拓寬，應用模式日益豐富，網絡通信愈加繁忙。Internet上的傳統(tǒng)服務有FTP（文件傳輸協(xié)議）、Telnet協(xié)議，新潮的網絡服務有對等網絡（PeertoPeer，簡稱P2P)、實時流媒體播放、分布式網格計算（DistributedGRIDComputing）等，網絡服務日新月異，現(xiàn)在互聯(lián)網在為越來越多人服務，但也使得網絡擁塞問題日益嚴重。納格在1984年首次指出TCP/IP網絡中存在擁塞問題[1

2、]。1986年10月，由于擁塞崩潰的發(fā)生，美國LBL(勞倫斯伯克利實驗室）到UCBerkeley（加州大學伯克利分校）的數(shù)據吞吐量從32Kbps跌落到40bps[2]。2012年7月27日，僅僅一天，推特（Twitter）上和倫敦奧運會有關的話題迅速攀升并很快超過2008年北京奧運會期間的微博總量，英國時間大約晚上八點，倫敦奧運開幕式的微博發(fā)布數(shù)量已經達到966萬條，但3小時后，美國的廣播媒體才對倫敦奧運會開幕式進行報道。奧委會隨后便發(fā)出聲明，由于推特（Twitter）用戶的過度火熱使網絡過度擁擠，并影響到了第二天的男子公路自行車賽。互聯(lián)網在為我

3、們提供服務的時候，網絡擁塞問題也在困擾著我們，而且這種情況愈演愈烈，因此，設計一種更適宜的、同時能夠提高對互聯(lián)網具有深刻影響的服務質量（QoS）的網絡擁塞控制機制顯得尤為迫切，當前網絡研究重點正在于此。1.1.1網絡擁塞現(xiàn)象及產生的原因當網絡負載大于網絡資源容量并引起網絡性能降低的現(xiàn)象稱之為網絡擁塞，網絡擁塞的狀況不斷加劇而長時間得不到緩解就會發(fā)生“擁塞崩潰”現(xiàn)象。擁塞產生的根本在于網絡上運行的負載超過了其自身的處理能力[3]，而發(fā)生擁塞的直接原因有很多，主要的有以下幾個方面[4]：（1）網絡的緩存空間不足。當幾個數(shù)據業(yè)務同時對同一輸出端口發(fā)出業(yè)

4、務請求，那么這個端口的緩存器就會設置排隊隊列。當緩存空間不足時，就不得不丟棄數(shù)據包，特別是突發(fā)數(shù)據流，例如超文本傳輸協(xié)議（HTTP），更是會造成數(shù)據的大量丟失。（2）瓶頸鏈路帶寬不足。對于高速數(shù)據流來說，網絡中的低速鏈路往往會成為帶寬瓶頸（bottleneck），是擁塞多發(fā)地帶。因為由信號處理和香農信息理論可知，信道容量C?B?log(1?S/N)，其中N和S分別為傳輸信道白噪聲和信源的平均功率，B為信號傳2輸?shù)男诺缼挘˙andwidth）；信源的發(fā)送速率R需要滿足R<=C，如果R>C，那么可以肯定的是網絡通信信號的無差錯傳輸在理論上幾乎是不可

5、能的，而瓶頸鏈路會頻繁處于一個信道帶寬低于信源發(fā)送速率的不利處境，當瓶頸鏈路長時間滿足不了源端帶寬請求時，擁塞就發(fā)生了。（3）網絡擁塞歸咎于中繼路由處理業(yè)務流的能力差、運算和存儲速度緩慢。路由器的中央處理器不僅要負責執(zhí)行隊列緩存、更新路由表等管理功能，又要發(fā)送應答信號和執(zhí)行1萬方數(shù)據數(shù)據發(fā)送，而當其處理能力如此弱以致于難以匹配網絡中較多的高速鏈路，就會引起緩沖區(qū)臨時保存而等待發(fā)送的數(shù)據過度堆積，進而加劇網絡擁塞的程度而不能及時消解。另外，互聯(lián)網的TCP/IP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議/因特網互聯(lián)協(xié)議）中有關擁塞控制機制存在缺陷[5]、網絡惡意攻擊[6]及

6、網絡系統(tǒng)自身存在的混沌、分叉現(xiàn)象等都是誘發(fā)網絡擁塞、導致網絡通訊的崩潰的潛在因素。我們要對以上擁塞產生的因素加以綜合考慮以避免網絡擁塞發(fā)生。例如路由處理器與鏈路速率不匹配，或系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)之間不匹配也可能導致?lián)砣?。擁塞一旦發(fā)生，如果控制措施不當或不及時，就會使得網絡擁塞不斷加重。因為路由器的緩存是有限的，如果使用殆盡，它就不得不被動丟棄之后到達的數(shù)據包，就會引起源端超時重傳，由于尚未收到確認信號（ACK），源端就要保留尚未收到確認的數(shù)據包，這導致進一步消耗路由器本就有限的緩存，擁塞不可避免的被加劇。我們利用圖1.1分析負載、吞吐量、響應時間三者的關

7、系：（1）負載較小時，隨著負載增加吞吐量呈近似線性增長而網絡延遲較慢增長；（2）當負載超過Knee（稱之為膝點）之后，吞吐量的增速逐漸放緩，低于負載增速，而延遲卻在快速增加；（3）當負載超過Cliff（崖點）后，吞吐量不僅不再增加，反而呈線性急劇下降，同時延遲急劇攀升。通常，將Knee（膝點）附近區(qū)域稱之為擁塞避免（congestionAvoidance）區(qū)間，Knee（膝點）和Cliff（崖點）之間的區(qū)域稱之為擁塞恢復（Congestionretransmission）區(qū)間，Cliff（崖點）之后的區(qū)間稱之為擁塞崩潰（CongestionCol

8、lapse）區(qū)間。圖中可以看出，膝點（Knee）附近是最理想的工作區(qū)域，此時網絡功率最大，性能最好，但同時也是最危險的，因為此時趨向擁塞