面向网络加速的传输控制优化若干关键技术研究

发布时间：2018-04-30 18:27

本文选题：高带宽时延和有损网络 + 数据中心网络　；参考：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：高速、无线和数据中心网络的普及,使针对互联网络的现有传输控制机制面临效率和公平性问题。此外,互联网的开放性使其遭受大量的攻击威胁,特别是面向传输控制协议(TCP)的低速率拒绝服务攻击。针对以上问题,本文先从路由器的队列管理出发,研究增强的主动队列管理算法以抵抗面向TCP的拒绝服务攻击,同时设计了近似公平的队列管理机制；围绕高带宽时延积(Bandwidth Delay Product, BDP)网络和有损网络中TCP的公平性和传输效率问题,本文设计融合网络拥塞度的自适应TCP协议,并且增强了应用于背景流传输的低优先级传输协议。此外,本文融合网络负载因子和流速率因子,提出面向高BDP网络的速率抑制的自适应异步反馈传输协议。数据中心网络方面,针对业务的服务质量保证和TCP Incast问题(即数据中心多对一的传输方式导致的吞吐量崩塌),构建了动态优先级编码和调度的传输框架。概况起来,本文研究主要取得了以下成果：(1)设计了抗攻击和近似公平的路由器主动队列管理算法。在开放互联网络环境中,攻击事件频发,而低速率拒绝服务攻击则对TCP性能造成了极大影响,甚至导致网络崩溃。在流信任建模的基础上,本文设计了抗攻击的随机早期检测(RED)增强算法。此外,基于流采样模型和改进的最近最久未使用(LRU)的缓存管理策略,设计了低复杂性的近似公平的主动队列管理(Active Queue Management, AQM)算法。仿真实验结果表明,以上算法可有效增强TCP协议的传输性能。(2)设计了融合网络负载和流速率因子的异步反馈传输协议。在显式反馈传输协议方面,负载感知协议以其较优的性能和简单且可部署受到广泛关注。但已有研究表明,其存在收敛速度上的不足,需进一步探讨。针对该问题,本文提出异步反馈的设想(高负载时根据流的速率因子确定反馈),以保证协议能快速收敛到高链路利用率,同时提升协议的不同流之间收敛于公平的速度。仿真实验结果表明,该协议相比已有研究在效率和公平的收敛速度方面有较好性能。(3)设计了自适应虚拟并行传输协议。在高BDP和有损网络中,传统TCP协议的加性增和乘性减小的不足,以及对链路丢包率的高要求,使其面临传输效率低的问题。在利用显式拥塞通知(ECN)估计网络拥塞度的基础上,本文设计了自适应虚拟并行的传输协议,利用估计的拥塞度动态调整虚拟并行度,以提升数据传输的效率并维持TCP友好性。仿真实验结果表明,该算法能在高BDP和有损网络中实现较优的吞吐量性能,同时维持与标准TCP流的公平性。(4)设计和实现了自适应的低优先级背景流传输协议。对于部分实时性要求不高的应用,如自动备份、软件更新和P2P应用等,由于它们可忍受更长的完成时间,使得以往公平的尽力而为的资源共享方式不再是其主要目标。因此,低优先级的传输控制协议受到关注和研究。然而,过于保守的拥塞窗口调整策略(如LEDBAT中的线性增长)使得已有低优先级协议在高BDP和有损网络上面临效率不高的问题。针对该问题,本文在LEDBAT协议的基础上,利用前向的单向排队时延测量网络的拥塞程度,进而自适应调整拥塞窗口更新的激进性,以达到提升效率和维持低优先级特性的目标。此外,融合非拥塞丢失检测机制,使协议能应用于有损网络环境(如无线网络)。仿真实验和实测结果均表明,该协议能获得较优的链路利用率并维持低优先级传输特性。(5)设计了快速和高效的数据中心网络传输框架。数据中心多对一的网络结构使其数据传输存在TCP Incast问题,严重影响业务质量。已有研究提出修改端主机协议、交换机调度和融合机制等加以改善,但仍存在不足。考虑到流的大小和服务时间的限制,本文提出端主机协议和交换机调度相结合的传输框架。在该框架中,端主机根据流的大小和服务时间限制计算流的优先级,以合理调整拥塞窗口；交换机则根据流的优先级执行加权轮询的调度算法,以尽可能保证优先级高的流的传输,同时优先级低的流不被“饿死”。仿真实验结果表明,该框架能有效降低服务时间限制的流的过期率,同时改善Incast造成的吞吐量崩溃问题。
[Abstract]:High speed , wireless and data center networks are widely used to solve the problems of efficiency and fairness in the existing transmission control mechanisms for the Internet . In addition , the openness of the Internet makes it suffer a lot of attack threats , especially the low rate denial of service attack of Transmission Control Protocol ( TCP ) . In view of the above problems , this paper studies the enhanced active queue management algorithm from the queue management of the router to resist the TCP - oriented denial - of - service attack , and at the same time , designs an approximately fair queue management mechanism .
In this paper , we design a self - adaptive feedback transmission protocol for dynamic priority coding and scheduling . In this paper , we design an adaptive virtual parallel transfer protocol . In this paper , we design an adaptive virtual parallel transfer protocol based on the flow sampling model and the improved cache management strategy . ( 4 ) The adaptive low priority background streaming protocol is designed and implemented . For some applications such as automatic backup , software update and P2P application for some applications such as automatic backup , software update and P2P application , this paper makes use of forward one - way queuing delay to measure the congestion degree of network .
The simulation results show that the framework can effectively reduce the expiration rate of the flow with limited service time and improve the problem of throughput collapse caused by Incast .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP393.08

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