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基于NS的路由器队列管理机制性能分析

毕业论文

基于NS的路由器队列管理机制性能分析
 
摘要:随着Internet的飞速发展,由于竞争网络资源而导致的网络拥塞问题越来越严重。在路由器等交换设备上应用有效的队列管理算法对于提高网络性能来说显得愈发重要。
由于TCP的拥塞控制作用有限,IETF推荐在路由器上使用主动队列管理(AQM)技术与TCP拥塞控制相配合来避免拥塞,并推荐RED作为候选算法。RED算法目前已经成为使用最为广泛的主动队列管理算法。
本文所作的工作如下:
首先分析了拥塞产生的原因以及进行拥塞控制的方法,包括TCP源端控制和路由队列管理算法。
然后阐述了1些经典的AQM算法的设计原理,以及RED算法的改进方向。
接着详细分析了SRED算法和RED算法是如何在Network Simulator(NS)上实现的,并从工程的角度分析了它们C++代码的实现。
最后通过NS仿真平台,设计了4种具有普遍意义的网络实验,测试了RED算法和SRED算法在各种流量环境中的性能,并分析实验结果。

关键词: 拥塞控制;主动队列管理;Network Simulator;RED;SRED

 
Performance Analysis of Router Queue Management Mechanism Based on NS
 
Abstract: With the rapid development of the Internet, the network congestion which is caused by competing of network resource becomes more and more critical. In order to improve network performance, applying effective queue management algorithm on routers become more and more important.
Because of some defects of TCP congestion control, IETF suggests using an active queue management (AQM) on routers and recommends RED as the candidate algorithm. RED has been most widely implemented as one of the AQMs at present.
The main work of this thesis is:
At first, analyzing the reason why the congestion is caused and the method to control the congestion, including resource control of TCP and the algorithm for routing queue.
Then, stating the design principles of some classic AQM algorithms, and how to improve RED algorithm.
And the follow, analyzing how to install the algorithm of SRED and RED on Network Simulator (NS) in detail and how to realize the algorithms in C++ code.
At last, designing four classical network experiments on NS to test the performance of RED and SRED , and analyzing the results of experiments.

Keywords: congestion control; active queue management; Network Simulator; RED; SRED
目录

前言 1
1 Internet所面临的拥塞问题 2
1.1 拥塞和拥塞控制的基本概念 2
1.2 拥塞和互联网模型关系 2
1.3 拥塞产生的原因 3
1.4 拥塞避免/控制策略的要求 4
1.5 本章小结 4
2 TCP拥塞控制机制 5
2.1 TCP拥塞控制机制的介绍 5
2.2 TCP拥塞控制机制的过程 5
2.3 拥塞控制的问题 7
2.4 本章小结 7
3 路由器队列管理的拥塞控制 8
3.1 被动式队列管理及其缺陷 8
3.2 主动队列管理(AQM)及其优点 9
3.3 几种主动队列管理算法 9
3.3.1 RED主动队列管理算法 10
3.3.2 SRED主动队列管理算法 15
3.3.3 RED算法的1些改进算法 17
3.4 AQM的设计要求与要点 19
3.5 本章小结 19
4 NS软件的介绍 20
4.1 NS的简介 20
4.2 NS的使用 21
4.3 NS的模拟 23
4.4 本章小结 24
5 AQM算法的C++代码分析 25
5.1 NS中Otcl和C++的关系 25
5.2 AQM算法在NS中的实现 26
5.2.1 SRED的C++代码分析 26
5.2.2 RED的C++代码分析 36
5.3如何添加1个新的AQM算法在NS中运行 39
5.4 本章小结 40
6 仿真实验 41
6.1 实验简介 41
6.2 实验结果与分析 41
6.2.1静态小流量下两种算法性能比较 41
6.2.2 动态小流量下两种算法性能比较 42
6.2.3静态大流量下两种算法性能比较 43
6.2.4动态大流量下两种算法性能比较 44
6.3本章小结 45
7 结束语 46
参考文献 47
致谢 48
 
前言

随着Internet规模的不断扩大和宽带网络连接的普及,网络用户数量呈现指数级的增长。网络资源的有限性与互联网日益增长的用户需求之间的矛盾愈发突出,从而导致越来越严重的网络拥塞问题。产生拥塞的原因主要在于应用对于资源的需求超过网络资源所能提供的可用部分。1旦发生拥塞,网络的性能将受到极大的影响,表现为数据包时延增加、丢弃概率增大、上层应用系统性能下降等。
网络中的资源主要有以下几种:链路容量,交换节点的缓存区和处理机等。通过高速骨干网的架设来增加链路容量,在1定程度上缓解了低带宽所带来的瓶颈问题。硬件厂商不断推出具有高速处理能力的路由器等网络设备,以保证CPU在执行排队缓存和更新路由表等功能时,其处理速度能够匹配高速链路。增加缓存空间在某种程度上可以缓解突发流量的分组由于缓存容量有限而被强制丢弃这1问题,然而如果路由器缓存容量过大时,拥塞只会变得更坏,而不是更好。
近年来,互联网的主营业务在逐步发生着变化和转移。传统的WWW网页浏览、FTP文件传输1类的非时延敏感的网络应用己经不能满足人们的需求,各类视频点播VOD、音频VOIP和实时监控等实时多媒体网络应用飞速增长。新兴业务流的服务质量QoS对于网络传输的延时和抖动的控制提出了较高的要求。
假设交换节点的CPU处理能力不受限(即不存在处理延时),那么网络的延时主要由传输延时和排队延时两个部分构成。传输延时依赖于通信双方的物理连接距离和传输介质,1般来说比较固定。路由器上的排队延时则与其缓存区的队列长度有关。因此,如何使用有效的排队算法对队列的长度进行控制并降低队列长度的变化幅度和范围,是控制延时和抖动问题的关键。
主动队列管理(Active Queue Management, AQM)就是IP层拥塞控制和资源管理技术之1。这些算法控制路由器缓存区的队列长度,并在1定程度上对可能出现的拥塞进行检测和预防,而不仅仅是在出现拥塞时进行被动的丢包,这正是主动队列管理的含义。
    本文主要做的工作是对1些经典的AQM算法进行比较;解释了AQM算法是如何在NS 中完全实现的,并通过分析RED算法和SRED算法基于NS的C++代码实现,来解释1个算法是如何在工程上实现的;最后在NS的仿真平台上,进行了4种典型的网络环境下RED算法和SRED算法的性能测试,并分析了测试结果。

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