光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)和混合光網(wǎng)絡(luò)上的TCP性能研究.pdf

1、作為一種新型的光交換技術(shù)，光突發(fā)交換(OBS，OpticalBurstSwitching)結(jié)合了電路交換和分組交換的優(yōu)點(diǎn)而克服了兩者的部分缺點(diǎn)，受到了業(yè)界的關(guān)注。而混合光網(wǎng)絡(luò)(HON，hybridopticalnetwork)綜合了現(xiàn)有光交換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠應(yīng)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)需要承載多種業(yè)務(wù)的需求，也被認(rèn)為具有良好的應(yīng)用前景。另一方面，作為最重要的傳送層協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)端到端擁塞控制的主要組成部分，TCP在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能一直以來都受到廣泛的

2、關(guān)注。本文研究了光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)上和混合光網(wǎng)絡(luò)上TCP的性能，主要包括以下四部分工作：TCP多個(gè)包丟失問題研究、TCPovorOBS的連續(xù)多個(gè)包丟失問題研究、高速TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上的性能研究和TCPoverHON的性能研究。 當(dāng)同一擁塞窗口內(nèi)有多個(gè)包出現(xiàn)丟失以后，TCP的發(fā)送端很容易出現(xiàn)超時(shí)重傳，本文將這一現(xiàn)象稱之為“TCP多個(gè)包丟失問題”。TCP多個(gè)包丟失問題很早就被研究者所關(guān)注，但是目前關(guān)于TCP多個(gè)包丟失問題的解釋并不準(zhǔn)確

3、，也缺乏理論上的詳細(xì)推導(dǎo)．作者在第二章中提出了一種基于窗口變量的分析方法，并使用該方法對(duì)同一擁塞窗口中有多個(gè)包丟失以后TCP發(fā)送端的窗口變化過程和發(fā)送行為進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，給出了對(duì)TCP多個(gè)包丟失問題產(chǎn)生原因的準(zhǔn)確解釋，并在理論上得出了TCP在丟包以后出現(xiàn)超時(shí)重傳的條件，即丟失包數(shù)目、擁塞窗口大小和丟失包之間距離這三個(gè)因素之間的具體關(guān)系，作者還根據(jù)上述關(guān)系給出了TCP在發(fā)生丟包以后出現(xiàn)超時(shí)重傳的概率模型。第二章的研究結(jié)論為本文后續(xù)的研究工作

4、提供了必要的理論依據(jù)。 根據(jù)第二章的結(jié)論，作者在第三章中提出了TCPoverOBS的連續(xù)多個(gè)包丟失問題，即OBS網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)包丟失很容易導(dǎo)致TCP出現(xiàn)超時(shí)重傳，從而導(dǎo)致TCP的吞吐率下降。作者指出，連續(xù)多個(gè)包丟失是造成“錯(cuò)誤超時(shí)”的重要原因之一，會(huì)嚴(yán)重影響TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上的吞吐率性能。雖然使用TCP的版本New-Reno和SACK可以在一定程度上更好的應(yīng)對(duì)OBS網(wǎng)絡(luò)上的連續(xù)多個(gè)包丟失，但是它們都存在各自的缺點(diǎn)。作者提出了一種

5、新的TCP版本B-Reno(BurstReno)，它能夠克服TCPoverOBS的連續(xù)多個(gè)包丟失問題。B-Reno的核心思想是在發(fā)現(xiàn)丟包之初和在快速恢復(fù)階段的每一個(gè)重傳輪里一次性重傳多個(gè)連續(xù)丟失包，因此跟New-Reno相比，B-Reno能大大縮短了快速恢復(fù)的時(shí)間；而同時(shí)，B-Reno不需要接收端的特別支持，因此它跟SACK相比又具有更低的協(xié)議復(fù)雜度和配置難度。作者通過大量的仿真對(duì)B-Reno的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，在OBS網(wǎng)絡(luò)上B

6、-Reno能夠取得優(yōu)于New-Reno而和SACK相當(dāng)?shù)耐掏侣市阅?。作者還對(duì)B-Reno的吞吐率進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，該模型能夠較好的評(píng)估突發(fā)包丟失率較小的情況下單個(gè)B-Reno流在OBS網(wǎng)絡(luò)上的吞吐率。在第三章最后，作者對(duì)B-Reno在傳統(tǒng)分組交換網(wǎng)絡(luò)中的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，B-Reno在分組交換網(wǎng)絡(luò)中也能工作得很好。 OBS網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)來說是一種高速網(wǎng)絡(luò)，通常具有較大的帶寬時(shí)延乘積(BDP，bandwidthdela

7、yproduct)，因此適合應(yīng)用各種高速TCP協(xié)議。作者在第四章中對(duì)5種高速TCP協(xié)議在OBS網(wǎng)絡(luò)上的性能進(jìn)行了研究。首先通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，高速TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上也存在連續(xù)多個(gè)包丟失問題，該問題會(huì)削弱高速TCP帶寬利用率高的優(yōu)勢(shì)。接下來通過仿真實(shí)驗(yàn)的方法指出并分析了高速TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上使用和不使用SACK的區(qū)別：相同條件下使用SACK的高速TCP能夠取得比不使用SACK的高速TCP明顯更高的吞吐率。針對(duì)B-Reno應(yīng)用于OBS網(wǎng)絡(luò)

8、上的高速TCP時(shí)恢復(fù)效率不足的問題，作者提出了B-Reno的改進(jìn)版本一aB-Reno(adaptiveB-Reno)，它是一種可以取代SACK的針對(duì)高速TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)多個(gè)包丟失問題的良好解決方案。跟B-Reno相比，aB-Reno能夠根據(jù)連續(xù)丟失包的數(shù)目自動(dòng)調(diào)整重傳包數(shù)目，從而可以顯著縮短高速TCP在發(fā)現(xiàn)丟包以后的快速恢復(fù)時(shí)間；而跟SACK相比，aB-Reno不需要接收端的特別支持，易于配置。作者通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，在丟包率較低

9、而接入帶寬較大的OBS網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)應(yīng)用于相同的高速TCP協(xié)議時(shí)，aB-Reno能夠取得優(yōu)于B-Reno而和SACK相當(dāng)?shù)耐掏侣市阅?。在第四章最后，作者還對(duì)5種高速TCP在OBS網(wǎng)絡(luò)上的吞吐率性能進(jìn)行了比較和分析。 混合光網(wǎng)絡(luò)中，光交換方式的切換會(huì)引起被傳送業(yè)務(wù)的路由發(fā)生振蕩，而路由振蕩會(huì)引起數(shù)據(jù)包的亂序，從而導(dǎo)致TCP出現(xiàn)“錯(cuò)誤快速重傳”(spuriousfastretransmission)，使得吞吐率下降。在第五章中，作者提出

10、了一種針對(duì)混合光網(wǎng)絡(luò)上TCP錯(cuò)誤快速重傳問題的解決方案-ENDFR(ExplicitNotificationforDelayedFastRetransmission)算法。ENDFR算法使用顯示通告的方法使TCP發(fā)送端在混合光網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的幫助下對(duì)即將發(fā)生的數(shù)據(jù)包亂序進(jìn)行預(yù)判，進(jìn)而采取延遲響應(yīng)的措施來避免發(fā)生錯(cuò)誤快速重傳。跟目前大多數(shù)針對(duì)數(shù)據(jù)包亂序問題的解決方案相比，ENDFR算法避免了復(fù)雜的數(shù)據(jù)包亂序偵測(cè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單。作者通過仿