[发明专利]一种面向普适服务的自适应网络拥塞控制方法

说明书

【技术领域】

本发明属于计算机应用与移动互联网结合的技术领域。

【背景技术】

随着计算技术的发展，各种各样的新型计算设备被广泛的应用在计算机网络上、并全面渗透到社会生活的方方面面，在这个背景下，人类进入了普适计算时代。它构想出一个将计算机、手持设备、传感器以及一些其他的物理设备如家用电器等无缝的结合在一起的世界，从而提供无处不在的服务。这种服务模式被称之为普适服务。普适服务的主要特点是环境中设备的多样性、自主性和环境自身的可变性、上下文相关性。

普适服务的网络环境是一个由宽带网，窄带网、无线网等组成的一个混合式网络环境。这个异常复杂的异构网络，包括对称的、支持多对多的多播局域网，高宽带、高延迟的卫星网，高丢失率的无线网，以及只有一个节点可以多播的非对称网等，在这种异构的网络环境中，一个节点上的数据在迁移到另一个不同的节点的链路可能在带宽、延迟等特性上有很大的差异，这样势必会造成节点的拥塞。其次，用户终端处理能力也有很大差异，低性能终端在重载下会来不及处理来自网络数据而形成拥塞。因此可以看出任务迁移过程中拥塞的产生是不可避免的，由于网络的异构性(如从宽带网络环境迁移到窄带网、无线网环境)和终端节点的不一致性(如从PC环境迁移到PDA环境)直接影响任务迁移的重要性，所以拥塞控制成为普适服务有效运行的关键。

拥塞控制算法的分布性、网络的复杂性和对拥塞控制算法的性能要求又使拥塞控制算法的设计具有很高的难度，虽然学术界在拥塞控制领域已经开展了大量的研究工作，但是目前为止拥塞的问题还没有得到很好的解决。自1988年Jacobson提出端对端的基于窗口的拥塞控制算法以来，TCP的流量控制算法已经得到了改进，然而，由于有线网中的链路的可靠性前提在无线网中并不成立，传输介质固有的特性差异使得现存的传输控制机制难以同时在两种信道上都获得满意的性能，因此在异构网中数据传输往往导致传统TCP的性能急剧下降。国内外的许多研究小组已经致力于异构网络的传输控制技术的研究，提出了各种改进机制。但是由于这些机制不同程度地存在缺陷，目前仍未得到公认的解决方案。

由于网络的异构性和终端节点的不一致性，任务迁移过程中产生拥塞是不可避免的，网络的性能直接影响任务迁移的效率。

当网络中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。网络的拥塞导致了分组丢失率的增加，同时增加了端到端的延迟，严重时甚至使整个网络系统发生崩溃(congestion collapse)。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞吐量(Goodput)急剧下降。有人总结出拥塞崩溃主要包括以下几种：传统的崩溃、未传送数据包导致的崩溃、由于数据包分段造成的崩溃、日益增长的控制信息流造成的崩溃等。

拥塞控制机制包括两种策略，拥塞避免和拥塞控制。拥塞避免是由网络节点采取措施避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应，使网络运行在Knee附近，使网络能够传输较大的有效吞吐量，避免发生拥塞现象；拥塞控制是使网络运行在Cliff的左侧区域。拥塞避免是一种“预防”措施，使网络保持在高吞吐量、低延迟的状态，避免拥塞发生；拥塞控制是一种“恢复”措施，使网络从拥塞中恢复过来，进入正常的工作状态。

拥塞是网络中的一种中间状态。当用户所期望占有的网络资源与对应的网络资源接近，甚至超过网络所能提供的资源时，则出现网络拥塞，主要表现为数据包延时增大、丢弃率增加、上层应用系统性能下降等。拥塞产生的直接原因有：

1.路由器缓存空间不足。当多个分组突然从不同输入线路涌入路由器时，这些分组就要在路由器进行排队。如果路由器没有足够的缓存存储分组，就会使一些分组被丢弃，对突发的数据流更是如此。虽然增加存储空间在一定程度上可以缓解这一问题对这一问题，但是研究表明：过大的缓存反而会导致拥塞的恶化。因为网络里数据包经过长时间排队后才通过路由器完成转发，会浪费网络资源，加重网络拥塞。

2.链路带宽容量不足。高速链路和低速链路的不匹配，这种情况一般在异构网络中表现；或者多条输入带宽总和大于带宽容量，都会使路由器中数据到达率远远大于发送速率，从而导致缓冲区容量有限，引起网络拥塞。

3.处理器处理能力弱、速度慢。如果路由器的CPU在执行排队缓存，更新路由器等功能时处理速度跟不上高速链路，也会产生网络拥塞。同样，低速链路对高速CPU也会产生拥塞。