无线网络中MPTCP拥塞控制算法性能评估
TCP协议中的流量控制和拥塞控制研究(毕业论文)
毕业设计(论文) TCP协议中的流量控制和拥塞控制研究 院别数学与统计学院 专业名称信息与计算科学 班级学号 学生姓名 指导教师 年月日
TCP协议中的流量控制和拥塞控制研究 摘要 计算机网络技术是当今发展最迅速的计算机技术之一，而保证网络稳定可靠运行的关键是计算机网络协议。TCP协议作为网络协议中的核心协议之一，其重要性更是不言而喻，因而对于该协议的研究与完善是促进网络发展的重要手段之一。 随着互联网规模和互联网应用的快速增长，网络拥塞和数据冲突问题已引起人们密切的关注。拥塞控制与流量控制技术针对网络中的拥塞和数据冲突而成为网络领域的核心技术。其中流量控制的对象是接收端，目的是使发送端的发送速率不超过接收端的接收能力；拥塞控制的对象是网络环境，目的是使负载不超过网络的传送能力。 TCP的流量控制主要依赖于滑动窗口，通过流量约束，减少接收端出的数据流失，提高发送效率，充分利用接收端资源。 TCP的拥塞控制主要原理依赖于一个拥塞窗口(cwnd)来控制，窗口值的大小就代表能够发送出去的但还没有收到ACK的最大数据报文段，显然窗口越大那么数据发送的速度也就越快，但是也就越可能使得网络出现拥塞，如果窗口值为1，那么就简化为一个停等协议，每发送一个数据，都要等到对方的确认才能发送第二个数据包，显然数据传输效率低下。TCP拥塞控制算法就是要在这两者之间权衡，选取最的cwnd值，从而使得网络吞吐量最大化且不产生拥塞。 本文首先对TCP协议的发展做了简要的概述，然后分析了TCP协议的报文段格式和结构，TCP的数据传输过程，接着讨论了TCP的流量控制机制，最后针对TCP 的重点部分拥塞控制进行了分析，讨论了几个TCP拥塞控制算法。 关键词：TCP协议，流量控制，拥塞控制
TCP拥塞控制算法性能比较-Read
TCP拥塞控制算法性能比较 一、NS2仿真 1.仿真实验的网络结构图 如图所示0、1、2为源节点，3为路由器，4为目的节点。源节点0、1、2为TCP代理节点，频宽为8Mbps，传递延迟时间为0.1ms，仿真时使用FTP流量。路由器的队列管理机制使用DropTail，频宽为0.8Mbps，传递延迟为100ms。在这个实验中建立3条TCP数据流，0和4、1和4、2和4。在OTCL编码中，代理节点的协议代理分别设置为TCP/Reno、TCP/Newreno、TCP/Sack1和tcp/Vegas，来模拟这四种算法。 二、模拟结果与算法分析比较 1、模拟拥塞控制四种算法的cwnd变换图：
2、TCP拥塞控制的四个阶段 这是TCP拥塞控制的核心，也体现了TCP拥塞控制的基本思想，它分为启动阶段，拥塞避免，快速重传和快速恢复阶段。 (1) 启动阶段 当连接刚建立或在发生一次超时的情况下，进入慢启动阶段。 一个新的TCP连接建立后，cwnd被初始化为1，源端只被允许发送一个报文段。当发出的报文收到接受端的ACK确认后，cwnd加1，即增加一个报文段发送。在这个阶段中，cwnd随RTT呈指数增长。 采用慢启动方法，可以防止TCP在启动一个新的连接时发送过多的数据而造成数据丢失和网络拥塞，同时，由于cwnd实际上以指数规律增长也就避免了单纯的AIMD算法造成的吞吐量增加过慢的问题。 cwnd的无限增长必将引起网络拥塞，于是引入一个状态变量：慢启动阈值ssthresh。 当cwnd
MA AB模型预测控制工具箱函数
M A T L A B模型预测控制工具箱函数 8.2系统模型建立与转换函数 前面读者论坛了利用系统输入/输出数据进行系统模型辨识的有关函数及使用方法，为时行模型预测控制器的设计，需要对系统模型进行进一步的处理和转换。MATLAB的模型预测控制工具箱中提供了一系列函数完成多种模型转换和复杂系统模型的建立功能。 在模型预测控制工具箱中使用了两种专用的系统模型格式，即MPC状态空间模型和MPC传递函数模型。这两种模型格式分别是状态空间模型和传递函数模型在模型预测控制工具箱中的特殊表达形式。这种模型格式化可以同时支持连续和离散系统模型的表达，在MPC传递函数模型中还增加了对纯时延的支持。表8-2列出了模型预测控制工具箱的模型建立与转换函数。 表8-2模型建立与转换函数 8.2.1模型转换 在MATLAB模型预测工具箱中支持多种系统模型格式。这些模型格式包括： ①通用状态空间模型； ②通用传递函数模型； ③MPC阶跃响应模型； ④MPC状态空间模型；
⑤MPC传递函数模型。 在上述5种模型格式中，前两种模型格式是MATLAB通用的模型格式，在其他控制类工具箱中，如控制系统工具箱、鲁棒控制工具等都予以支持；而后三种模型格式化则是模型预测控制工具箱特有的。其中，MPC状态空间模型和MPC传递函数模型是通用的状态空间模型和传递函数模型在模型预测控制工具箱中采用的增广格式。模型预测控制工具箱提供了若干函数，用于完成上述模型格式间的转换功能。下面对这些函数的用法加以介绍。 1．通用状态空间模型与MPC状态空间模型之间的转换 MPC状态空间模型在通用状态空间模型的基础上增加了对系统输入/输出扰动 和采样周期的描述信息，函数ss2mod()和mod2ss()用于实现这两种模型格式之间的转换。 1）通用状态空间模型转换为MPC状态空间模型函数ss2mod() 该函数的调用格式为 pmod=ss2mod(A,B,C,D) pmod=ss2mod(A,B,C,D,minfo) pmod=ss2mod(A,B,C,D,minfo,x0,u0,y0,f0) 式中，A,B,C,D为通用状态空间矩阵； minfo为构成MPC状态空间模型的其他描述信息，为7个元素的向量，各元素分别定义为： ◆minfo(1)=dt，系统采样周期，默认值为1； ◆minfo(2)=n，系统阶次，默认值为系统矩阵A的阶次； ◆minfo(3)=nu，受控输入的个数，默认值为系统输入的维数； ◆minfo(4)=nd，测量扰的数目，默认值为0； ◆minfo(5)=nw，未测量扰动的数目，默认值为0； ◆minfo(6)=nym，测量输出的数目，默认值系统输出的维数； ◆minfo(7)=nyu，未测量输出的数目，默认值为0； 注：如果在输入参数中没有指定m i n f o，则取默认值。 x0,u0,y0,f0为线性化条件，默认值均为0； pmod为系统的MPC状态空间模型格式。 例8-5将如下以传递函数表示的系统模型转换为MPC状态空间模型。 解：MATLAB命令如下：
TCP拥塞控制算法比较
TCP拥塞控制算法比较 TCP发展到现在已经形成了TCP Tahoe、TCP Reno、TCP NewReno、SACK、Vegas等不同版本，这些算法各有利弊。 Tahoe算法是TCP的早期版本。它的核心思想是：让cwnd以指数增长方式迅速逼近可 用信道容量，然后慢慢接近均衡。它包括了3个基本的拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快速重传。Tahoe的缺点体现在快速重传后转向慢启动算法，这样不能有效的利用网络带宽并且还引入较大的延时。 Reno算法是针对Tahoe算法的不足而做的改进。改进主要有两方面：一是对于收到连 续3个重复的ACK确认，算法不经过慢启动，而直接进入拥塞避免阶段；二是增加了快速重传和快速恢复机制。Reno算法以其简单、有效和鲁棒性成为TCP源算法的主流，被广泛的 采用。但它不能有效的处理多个报文分组从同一发送窗口中丢失的情况。 NewReno对Reno中快速恢复算法进行了补充，它考虑了一个发送窗口内多个报文分组 同时丢失的情况。Reno算法中，发送方收到一个不重复的应答后就退出快速恢复，而NewReno 中，只有当所有的报文分组都被应答后才退出快速恢复状态。NewReno的实现只要修改TCP 发送端的实现代码，实现简单。 SACK算法也针对一个窗口内多个报文分组丢失的情况而对Reno算法进行改进：SACK 定义了一个变量pipe来表示出现在路由器上报文分组的估计数量，接收方TCP发送SACK 分组来通知发送方的接收状况，这样源端就能准确的知道哪些报文分组被正确的传到接收端，从而避免不必要的重传，提高网络吞吐量。但SACK算法的实现需要修改TCP发送端和接收端的实现代码，增加了TCP的复杂性，因此不易大规模的应用。 Vegas与上述的算法不同，它是以RTT的变化作为拥塞信号，调节源端的发送速率。通过监测RTT的变化来改变cwnd的大小。由于Vegas采用RTT的改变来判断网络的可用带宽，能较好的预测网络带宽的使用情况，其公平性、效率都较好。但是，由于Vegas与其它算法在竞争带宽方面存在不公平现象，因此未能在因特网中普遍采用，还需要继续改进。
TCP拥塞控制分析
TCP 拥塞控制分析 摘要：随着计算机网络的飞速发展，网络用户数量急剧增加，Internet 在各个领域也发挥越来越重要的作用，但随着其流量的急剧增加，由此引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。拥塞容易造成传输延迟和吞吐量等性能指标的下降，严重影响带宽、缓存等网络资源的利用率。TCP 作为应用最广泛的传输协议，它的拥塞控制已经成为其成功的关键。本文针对这一现象对TCP 性能及拥塞控制进行研究，我们将简单探讨网络拥塞出现的原因，着重介绍TCP 拥塞控制的原理并分析四个TCP 拥塞控制算法，最后论述TCP 拥塞控制所面临的问题，根据此提出进一步的研究方向。 关键词：TCP 拥塞、拥塞控制、TCP Tahoe 、TCP Reno 、TCP SACK 、TCP Vegas 1. 拥塞产生的原因 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源（包括链路带宽，存储空间和处理器的处理能力等）的需求超过了其固有的容量。拥塞导致的直接结果就是分组丢失率增加，端到端延时加大，甚至有可能使整个系统发生崩溃。 网络产生拥塞的根本原因在于用户或端系统提供给网络的负载大于网络资源容量和处理能力，即网络提供的资源不足以满足用户的需求，这些资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间结点的处理能力等，使其产生数据包时延增加、丢弃概率增大、上层应用系统性能显著下降等典型现象。拥塞产生的直接原因有三点： （1）存储空间不足。缓存的容量不够大，当缓存已经装满，没有空闲的空间时就只能将新到达的分组丢弃。 （2）带宽容量不足，低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。任何信道带宽最大值为()N +B =S C 1log 2(N 为信道噪声平均功率，S 为信源平均功率，B 为信道带宽) [1]。 要求所有信源发送的速率R 必须小于等于信道容量C 。 （3）处理器处理能力弱，速度慢。低速链路对高速CPU 也会产生拥塞。 要避免拥塞的发生，必须对链路带宽、路由器处理速度和存储容量等问题予以考虑，尽可能使系统的各个部分相互匹配。但由于网络流量分布的不均衡性，随着用户数量和
程序员面试必考题(十八)--TCP的拥塞控制机制
拥塞控制（congestion control)是TCP协议的一项重要功能，TCP 的拥塞控制机制是从端到端的角度，推测网络是否发生拥塞，如果推断网络发生拥塞，则立即将数据发送速率降下来，以便缓解网络拥塞。TCP的拥塞控制采用的是窗口机制，通过调节窗口的大小实现对数据发送速率的调整。TCP的发送端维持一个称为拥塞窗口cwnd的变量，单位为字节，用于表示在未收到接收端确认的情况下，可以连续发送的数据字节数。cwnd的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地发生变化。拥塞窗口调整的原则是：只要网络没有出现拥塞，就可以增大拥塞窗口，以便将更多的数据发送出去，相当于提高发送速率；一旦网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，减少注入网络的数据量，从而缓解网络的拥塞。 发送端判断网络发生拥塞的依据是：发送端设置一个重传计时器RTO，对于某个已发出的数据报文段，如果在RTO计时到期后，还没有收到来自接收端的确认，则认为此时网络发生了拥塞。 TCP的拥塞控制算法包括了慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）四部分。 慢启动算法作用在TCP数据传输的开始阶段，当主机开始发送数据时，因为不知道网络中的负荷情况，如果立即发送大量的数据，有可能会引起网络的拥塞。因此，TCP采用试探的方法，逐渐增大拥塞窗
口。通常在刚开始发送数据报文段时，先将拥塞窗口cwnd设置为一个TCP最大段长度MSS的值。而在每收到一个数据报文段的确认后，cwnd就增加一个MSS的数值。这样就可以逐渐增大发送端的拥塞窗口，使数据注入网络的速率比较合理。如果定义从发送端发出一个数据报文段到收到这个数据报文段的确认的时间间隔为往返时间RTT，则在慢启动阶段，每经过一个RTT，cwnd的值就加倍。 为了防止拥塞窗口增长过快而引起网络拥塞，TCP还需要设置一个慢启动阈值ssthresh，当拥塞窗口的值增加到ssthresh时，就要减缓拥塞窗口的增长速度，具体的做法是每经过一个RTT，拥塞窗口cwnd 的值加1（单位为MSS），这样就可以使cwnd按线性规律缓慢增长，这个过程称之为“加性增加”（Additive Increase）算法。通常情况下，拥塞窗口cwnd的初值被设置为1，慢启动阈值ssthresh的初值被设置为16。当拥塞避免算法执行到某个时刻，发送端在规定时间内没有收到接收端的确认，即发生了网络超时，则意味着网络发生了拥塞。此时，发送端首先将ssthresh的值变为发生超时时cwnd值的一半，同时将cwnd的值置为1，重新执行慢启动算法。这样做的好处是，当网络频繁出现拥塞时，ssthresh下降得很快，可以大大减少注入网络中的数据报文段。通常称这个过程为“乘性减小”（MultiplicativeDecrease）算法。TCP中的“加性增加”和“乘性减小”算法合起来称为AIMD算法。
MATLAB模型预测控制工具箱函数
M A T L A B模型预测控制 工具箱函数 TTA standardization office【TTA 5AB- TTAK 08- TTA 2C】
M A T L A B模型预测控制工具箱函数 系统模型建立与转换函数 前面读者论坛了利用系统输入/输出数据进行系统模型辨识的有关函数及使用方法，为时行模型预测控制器的设计，需要对系统模型进行进一步的处理和转换。MATLAB的模型预测控制工具箱中提供了一系列函数完成多种模型转换和复杂系统模型的建立功能。 在模型预测控制工具箱中使用了两种专用的系统模型格式，即MPC状态空间模型和MPC传递函数模型。这两种模型格式分别是状态空间模型和传递函数模型在模型预测控制工具箱中的特殊表达形式。这种模型格式化可以同时支持连续和离散系统模型的表达，在MPC传递函数模型中还增加了对纯时延的支持。表8-2列出了模型预测控制工具箱的模型建立与转换函数。 表8-2 模型建立与转换函数 模型转换 在MATLAB模型预测工具箱中支持多种系统模型格式。这些模型格式包括： ①通用状态空间模型； ②通用传递函数模型； ③MPC阶跃响应模型； ④MPC状态空间模型； ⑤MPC传递函数模型。
在上述5种模型格式中，前两种模型格式是MATLAB通用的模型格式，在其他控制类工具箱中，如控制系统工具箱、鲁棒控制工具等都予以支持；而后三种模型格式化则是模型预测控制工具箱特有的。其中，MPC状态空间模型和MPC传递函数模型是通用的状态空间模型和传递函数模型在模型预测控制工具箱中采用的增广格式。模型预测控制工具箱提供了若干函数，用于完成上述模型格式间的转换功能。下面对这些函数的用法加以介绍。 1．通用状态空间模型与MPC状态空间模型之间的转换 MPC状态空间模型在通用状态空间模型的基础上增加了对系统输入/输出扰动和采样周期的描述信息，函数ss2mod()和mod2ss()用于实现这两种模型格式之间的转换。 1）通用状态空间模型转换为MPC状态空间模型函数ss2mod() 该函数的调用格式为 pmod= ss2mod(A,B,C,D) pmod= ss2mod(A,B,C,D,minfo) pmod= ss2mod(A,B,C,D,minfo,x0,u0,y0,f0) 式中，A, B, C, D为通用状态空间矩阵； minfo为构成MPC状态空间模型的其他描述信息，为7个元素的向量，各元素分别定义为： ◆minfo(1)=dt，系统采样周期，默认值为1； ◆minfo(2)=n，系统阶次，默认值为系统矩阵A的阶次； ◆minfo(3)=nu，受控输入的个数，默认值为系统输入的维数； ◆minfo(4)=nd，测量扰的数目，默认值为0； ◆minfo(5)=nw，未测量扰动的数目，默认值为0； ◆minfo(6)=nym，测量输出的数目，默认值系统输出的维数； ◆minfo(7)=nyu，未测量输出的数目，默认值为0； 注：如果在输入参数中没有指定m i n f o，则取默认值。 x0, u0, y0, f0为线性化条件，默认值均为0； pmod为系统的MPC状态空间模型格式。 例8-5将如下以传递函数表示的系统模型转换为MPC状态空间模型。 解：MATLAB命令如下：
七种IP拥塞控制算法需改进
七种IP拥塞控制算法需改进 DDoS攻击引起的网络拥塞，是由恶意主机控制大量傀儡机所造成的，并非传统意义上的端到端拥塞，所以只能在路由器上进行控制，即基于IP拥塞控制来实现的。而目前主流的七种IP拥塞控制算法都需要在改进后，才能有效地应用于防范DDoS攻击。 分布式拒绝服务DDoS（Distributed Denial of Service）攻击被认为是目前Internet所面临的最大威胁之一。 目前有一些常用的DDoS攻击防护机制和方法包括: 通过修改配置和协议预防攻击、反向查找攻击源头、攻击检测和过滤、分布式攻击检测和过滤(主机端/路由器端)等。 DDoS攻击与网络拥塞 网络产生拥塞的根本原因在于用户提供给网络的负载超过了网络的存储和处理能力，表现为无效数据包增加、报文时延增加与丢失、服务质量降低等。如果此时不能采取有效的检测和控制手段，就会导致拥塞逐渐加重，甚至造成系统崩溃，在一般情况下形成网络拥塞的三个直接原因是: ●路由器存储空间不足。几个输入数据流需要同一个
输出端口，如果入口速率之和大于出口速率，就会在这个端口上建立队列。如果没有足够的存储空间，数据包就会被丢弃，对突发数据流更是如此。增加存储空间在表面上似乎能解决这个矛盾，但根据Nagel的研究，如果路由器有无限存储量时，拥塞只会变得更坏。 ●带宽容量相对不足。直观地说，当数据总的输入带宽大于输出带宽时，在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，网络就会发生拥塞，相关证明可参考香农信息理论。 ●处理器处理能力较弱。如果路由器的CPU在执行排队缓存、更新路由表等操作时，处理速度跟不上高速链路，会产生拥塞。同理，低速链路对高速处理器也会产生拥塞。 以上是早期Internet网络发生拥塞的三个主要原因。对此，TCP拥塞控制给出了较好的解决方案。在实际应用中，如果所有的端用户均遵守或兼容TCP拥塞控制机制，网络的拥塞能得到很好的控制。但是，当DDoS攻击造成网络拥塞时，TCP基于窗口的拥塞控制机制对此无法加以解决。原因是攻击带来的拥塞是由大量恶意主机发送数据所造成的，这些主机不但不会完成TCP拥塞控制机制所规定的配合工作，甚至本身就可能包含了伪造源地址、加大数据发送量、增加连接数等攻击方式。在此情况下，对DDoS攻击所造成的网络拥塞就必须在路由器上进行处理，这只能是基于IP拥塞控制来实现的。
常见拥塞的优化方法(DOC)
常见小区拥塞的优化方法
内容简介 在本文中，主要从出现TCH信道拥塞可能的原因入手，提出一些解决TCH 信道拥塞的方法和思路，以供大家参考。 文档更新、审核记录 目录
一.存在均衡话务的可能 (5) 二.存在硬件问题的可能 (15) 三.存在需要扩容的可能； (16) 四.存在TCH和SD资源分配问题 (16)
前言 我们在谈到网络拥塞时，常常是指信令信道拥塞以及话务信道拥塞。其中话务信道拥塞也就是我们常说的TCH信道拥塞，发生在用户在申请网络服务信令交互之后，一般进行用户的真正话音要由TCH 信道承载，TCH信道的分配也称指配过程。出现TCH信道拥塞是说：在指配过程中，如果网络没有可用的TCH信道来分给手机，则系统计一次TCH分配失败。在本文中，主要从出现TCH信道拥塞可能的原因入手，提出一些解决TCH信道拥塞的方法和思路，以供大家参考。
一. 存在均衡话务的可能 存在覆盖均衡的可能是指：通过实际现场对出现拥塞的小区及其邻区的覆盖范围测试，或者在OMC上对出现拥塞的小区及其邻区做切换统计观察后，统计它们的TA大小分布，分析得出本小区的实际覆盖范围过大，而周边没有拥塞现象的小区覆盖过小，而没有充分吸收拥塞小区的话务量。此处的有话务均衡的可能是指：出现拥塞的小区其TCH拥塞率较高，但是，其SDCCH却不存在拥塞的情况，也即该小区在TCH与SDCCH资源的配置方面做得不合理。 若出现TCH信道拥塞，分析得出基站的覆盖与周边基站的覆盖没有合理地进行控制，或者TCH的拥塞率与SDCCH的拥塞率不均衡，则可以采用以下的方法进行处理：采用多种方法调整本基站与周边基站的覆盖范围；均衡拥塞基站与周边基站的话务量；对TCH与SDCCH不均衡的情况予以调整。 （1）调整本基站和邻区的发射功率等参数来收缩基站覆盖在基站拥塞情况不均衡的情况下，例如：本小区很忙，而相邻的小区却很闲，则通过调整本小区的发射功率等参数等可以有效收缩本小区的覆盖范围，同时适当调整邻区的参数来提高其覆盖，吸收话务。 相关的调整有： 1、调整基站的发射功率。BSPWRB是基站在BCCH信道上的发
最优控制-遗传算法综述
最优控制论文 遗传算法的发展 摘要 最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。解决最优控制问题
的主要方法有古典变分法、极大值原理和动态规划。 最优控制理论已被应用于综合和设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最 小能耗控制系统、线性调节器等。目前研究最优控制理论最活跃的领域有神经网 络优化、模拟退火算法、趋化性算法、遗传算法、鲁棒控制、预测控制、混沌优化 控制以及稳态递阶控制等。 作为一种比较新的一种新的优化算法—遗传算法(Genetic Algorithm, 简称G A ) 正在迅速发展。 遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。近年来,由于遗传算法求解复杂优化问题的巨大潜力及其在工业工程领域的成功应用,这种算法受到了国内外学者的广泛关注。本文介绍了遗传算法的研究现状,描述了它的主要特点和基本原理,概述了它的理论、技术和应用领域,讨论了混合遗传算法和并行遗传算法,指出了遗传算法的研究方向,并对遗传算法的性能作了分析。
目录 1 前言 (1) 2 遗传算法基本理论..................................................... 1... 2.1 遗传算法的基本步骤.................................................. 1.. 2.2 遗传算法的现状..................................................... 2... 2.3 遗传算法的应用..................................................... 3... 2.3.1 函数优化 ..................................................... 3... 2.3.2 组合优化 ..................................................... 4... 2.3.3 生产调度问题 ................................................. 4... 2.3.4 自动控制 ..................................................... 4... 2.3.5 机器人学 ..................................................... 4... 2.3.6 图像处理 ..................................................... 4... 2.3.7 人工生命 ..................................................... 5... 2.3.8 遗传编程 ..................................................... 5... 2.3.9 机器学习 ..................................................... 5... 2.3.10 数据挖掘.................................................... 5... 3 遗传算法的研究方向................................................... 5... 参考文献............................................................ 7...
TCP协议拥塞控制算法
TCP协议拥塞控制算法研究 摘要：自从1986年互联网出现严重的拥塞崩溃现象后，网络拥塞控制受到了广泛的关注。随着网络的不断发展，网络用户及需求急剧增加，网络拥塞也越来越严重。如何有效解决网络拥塞，成为人们急需解决的问题。TCP作为目前互联网上使用最广泛的一种传输协议，TCP拥塞控制机制对互联网的稳定运行起着重要的作用。本文阐述了TCP的拥塞控制机制以及几种TCP拥塞控制算法，并对它们进行了仿真，比较了他们各自的优缺点，并指出了进一步改进TCP拥塞控制的必要性。 关键字：互联网；TCP；拥塞控制 Abstract：Since the advent of the Internet congestion collapse in 1986, network congestion control has been widespread concern. With the continuous development of the network, network users and the demand are increasing rapidly, network congestion has become increasingly serious. How to effectively solve network congestion become an urgent problem. TCP currently used on the Internet as the most widely used transport protocol, TCP congestion control mechanisms for the stable operation of the Internet plays an important role. This paper describes the TCP congestion control mechanisms as well as several TCP congestion control algorithms, and their simulation to compare their advantages and disadvantages, and pointed out the need for further improvement of TCP congestion control. Keywords：Internet；TCP；Congestion control 1 引言 近年来以IP为基础的internet呈爆炸式增长，网络用户数量迅速增加，internet 在各个领域也发挥着越来越重要的作用，但随着其流量急剧增加，由此而引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。在计算机网络中的宽带、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络资源。如果网络相对于负载需求表现为节点存储空间不足、链路带宽不足、处理器处理速度慢，以及系统各部分性能不匹配等等，从而导致网络上的包时延增加，丢包率上升，吞吐量下降，直接使服务质量下降。概括来说就是在某一时间段里，如果网络中的某一资源的需求量超过了该网络所能提供的网络资源的可用部分，网络的性能就能变坏。诸如网络延时
最优控制
最优控制 学院 专业 班级 姓名 学号
1948年维纳发表了题为《控制论—关于动物和机器中控制与通讯的科学》的论文，第一次科学的提出了信息、反馈和控制的概念，为最优控制理论的诞生和发展奠定了基础。钱学森1954年所着的《工程控制论》直接促进了最优控制理论的发展和形成。 最优控制理论所研究的问题可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。 从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数（称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。解决最优控制问题的主要方法有古典变分法（对泛函求极值的一种数学方法）、极大值原理和动态规划。最优控制已被应用于综合和设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。 例如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少，选择一个温度的调节规律和相应的原料配比使化工反应过程的产量最多，制定一项最合理的人口政策使人口发展过程中老化指数、抚养指数和劳动力指数等为最优等，都是一些典型的最优控制问题。最优控制理论是50年代中期在空间技术的推动下开始形成和发展起来的。苏联学者Л.С.庞特里亚金1958年提出的极大值原理和美国学者R.贝尔曼1956年提出的动态规划，对最优控制理论的形成和发展起了重要的作用。线性系统在二次型性能指标下的最优控制问题则是R.E.卡尔曼在60年代初提出和解决的。 最优控制理论-主要方法 解决最优控制问题的主要方法 解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程 为了解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程，给出控制变量的允许取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态，并且规定一个评价运动过程品质优劣的性能指标。通常，性能指标的好坏取决于所选择的控制函数和相应的运动状态。系统的运动状态受到运动方程的约束，而控制函数只能在允许的范围内选取。因此，从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数（称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。解决最优控制问题的主要方法有古典变分法、极大值原理和动态规划。
TCP拥塞控制四个主要过程
TCP拥塞控制四个主要过程（如图（a）和（b）所示）简要介绍如下： 图（a）：慢启动和拥塞避免图（b）：快速重传和快速恢复 1.慢启动阶段：早期开发的TCP应用在启动一个连接时会向网络中发送大量的数据包，这样 很容易导致路由器缓存空间耗尽，网络发生拥塞，使得TCP连接的吞吐量急剧下降。由于TCP源端无法知道网络资源当前的利用状况，因此新建立的TCP连接不能一开始就发送大量数据，而只能逐步增加每次发送的数据量，以避免上述现象的发生。具体地说，当建立新的TCP连接时，拥塞窗口（congestion window，cwnd）初始化为一个数据包大小。源端按 cwnd大小发送数据，每收到一个ACK确认，cwnd就增加一个数据包发送量，这样cwnd就将随着回路响应时间（Round Trip Time，RTT）呈指数增长，源端向网络发送的数据量将急剧增加。事实上，慢启动一点也不慢，要达到每RTT发送W个数据包所需时间仅为 RTT×logW。由于在发生拥塞时，拥塞窗口会减半或降到1，因此慢启动确保了源端的发送速率最多是链路带宽的两倍。 2.拥塞避免阶段：如果TCP源端发现超时或收到3个相同ACK副本时，即认为网络发生了拥 塞（主要因为由传输引起的数据包损坏和丢失的概率很小（<<1%））。此时就进入拥塞避免阶段。慢启动阈值（ssthresh）被设置为当前拥塞窗口大小的一半；如果超时，拥塞窗口被置1。如果cwnd>ssthresh，TCP就执行拥塞避免算法，此时，cwnd在每次收到一个ACK时只增加1/cwnd个数据包，这样，在一个RTT内，cwnd将增加1，所以在拥塞避免阶段，cwnd 不是呈指数增长，而是线性增长。 3.快速重传和快速恢复阶段：快速重传是当TCP源端收到到三个相同的ACK副本时，即认为 有数据包丢失，则源端重传丢失的数据包，而不必等待RTO超时。同时将ssthresh设置为当前cwnd值的一半，并且将cwnd减为原先的一半。快速恢复是基于“管道”模型（pipe model）的“数据包守恒”的原则（conservation of packets principle），即同一时刻在网络中传输的数据包数量是恒定的，只有当“旧”数据包离开网络后，才能发送“新”数据包进入网络。如果发送方收到一个重复的ACK，则认为已经有一个数据包离开了网络，于是将拥塞窗口加1。如果“数据包守恒”原则能够得到严格遵守，那么网络中将很少会发生拥塞；本质上，拥塞控制的目的就是找到违反该原则的地方并进行修正。 经过十多年的发展，目前TCP协议主要包含有四个版本：TCP Tahoe、TCP Reno、TCP NewReno 和TCP SACK。TCP Tahoe是早期的TCP版本，它包括了3个最基本的拥塞控制算法－“慢启动”、“拥塞避免”和“快速重传”。TCP Reno在TCP Tahoe基础上增加了“快速恢复”算法。TCP NewReno对TCP Reno中的“快速恢复”算法进行了修正，它考虑了一个发送窗口内多个数据包丢失的情况。在Reno 版中，发送端收到一个新的ACK后旧退出“快速恢复”阶段，而在NewReno版中，只有当所有的数据包都被确认后才退出“快速恢复”阶段。TCP SACK关注的也是一个窗口内多个数据包丢失的情况，它避免了之前版本的TCP重传一个窗口内所有数据包的情况，包括那些已经被接收端正确接收的数据包，而只是重传那些被丢弃的数据包。
模型预测控制快速求解算法
模型预测控制快速求解算法 模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）是一种基于在线计算的控制优化算法，能够统一处理带约束的多参数优化控制问题。当被控对象结构和环境相对复杂时，模型预测控制需选择较大的预测时域和控制时域，因此大大增加了在线求解的计算时间，同时降低了控制效果。从现有的算法来看，模型预测控制通常只适用于采样时间较大、动态过程变化较慢的系统中。因此，研究快速模型预测控制算法具有一定的理论意义和应用价值。 虽然MPC方法为适应当今复杂的工业环境已经发展出各种智能预测控制方法，在工业领域中也得到了一定应用，但是算法的理论分析和实际应用之间仍然存在着一定差距，尤其在多输入多输出系统、非线性特性及参数时变的系统和结果不确定的系统中。预测控制方法发展至今，仍然存在一些问题，具体如下： ①模型难以建立。模型是预测控制方法的基础，因此建立的模型越精确，预测控制效果越好。尽管模型辨识技术已经在预测控制方法的建模过程中得以应用，但是仍无法建立非常精确的系统模型。 ②在线计算过程不够优化。预测控制方法的一大特征是在线优化，即根据系统当前状态、性能指标和约束条件进行在线计算得到当前状态的控制律。在在线优化过程中，当前的优化算法主要有线性规划、二次规划和非线性规划等。在线性系统中，预测控制的在线计算过程大多数采用二次规划方法进行求解，但若被控对象的输入输出个数较多或预测时域较大时，该优化方法的在线计算效率也会无法满足系统快速性需求。而在非线性系统中，在线优化过程通常采用序列二次优化算法，但该方法的在线计算成本相对较高且不能完全保证系统稳定，因此也需要不断改进。 ③误差问题。由于系统建模往往不够精确，且被控系统中往往存在各种干扰，预测控制方法的预测值和实际值之间一定会产生误差。虽然建模误差可以通过补偿进行校正，干扰误差可以通过反馈进行校正，但是当系统更复杂时，上述两种校正结合起来也无法将误差控制在一定范围内。 模型预测控制区别于其它算法的最大特征是处理多变量多约束线性系统的能力，但随着被控对象的输入输出个数的增多，预测控制方法为保证控制输出的精确性，往往会选取较大的预测步长和控制步长，但这样会大大增加在线优化过程的计算量，从而需要更多的计算时间。因此，预测控制方法只能适用于采样周
3.6 拥塞控制原理
【自学笔记】 3.6拥塞控制原理 1 拥塞原因与开销 情况1:两个发送方和一个具有无穷大缓存的路由器 拥塞网络的一种开销，即当分组到达速率接近链路容量时，分组将经历较长的排队时延。 情况2:两个发送方和一个具有有限缓存的路由器 拥塞网络的另外一种开销，即发送方必须执行重传以补偿因为缓存溢出而丢弃(丢失)的分组。 发送方在遇到大时延时所进行的不必要重传，导致路由器需要利用其链路带宽来转发不必要的分组。 情况3:四个发送方、具有有限缓存的多台路由器和多跳路径 拥塞的另一种开梢，即当一个分组沿一条路径被丢弃时每个上游路由器用于转发该分组而使用的传输容量最终被浪费掉了。 2拥塞控制方法 实际中所采用的两种主要拥塞控制方法，可根据网络层是否为传输层拥塞控制提供了帮助来区分。 ·端到端拥塞控制。在端到端拥塞控制方法中，网络层没有为传输层拥塞控制提供显式支持。即使在网络中存在拥塞，端系统也必须通过对网络行为的观察(如分组丢失与时延) 来推断拥塞的发生。 TCP必须通过端到端的方法处理拥塞控制，因为lP层不会向端系统提供有关网络拥塞的反馈信息。TCP报文段的丢失(通过超时或3次冗余确认而得知)被认为是网络拥塞的一个迹象，TCP会相应地减小其发送窗口长度。 ?网络辅助的拥塞控制。在网络辅助的拥塞控制中，网络层设备件(即路由器)向发送方提供关于网络中拥塞状态的显式反馈信息。这种反馈可以通过数据报中的某个字段来指示链路中的拥塞情况。这种方法在早期的IBM SNA和ATM等体系结构中采用。 对于网络辅助的拥塞控制，拥塞信息从网络反馈到发送方通常有两种方式，直接反馈信息可以由网络路由器发给发送方。另一种形式是，路由器标记或更新从发送方流向接收方的分组中的某个字段来指示拥塞的产生(可以理解为对经过一个拥塞路由器的数据报做记号)。一旦接收方收到这个有拥塞标记的分组，就会通知发送方网络发生了拥塞。
预测PID控制算法的基本原理及研究现状
预测PID控制算法的基本原理及研究现状 邵惠鹤任正云 邵惠鹤先生，上海交通大学自动化系教授；任正云先生，博士。 关键词：模型预测控制预测PID控制算法 在现今全球竞争日益激烈的市场环境下，通过先进控制获取经济效益来提高企业竞争力，已成为一种趋势。据有关文献报道(薛美盛等， 2002)，各种不同石油化工装置实施先进控制后，其每年净增效益如表1所示。虽然各公司所报出的年效益有所不同，但其数据出入不大，而实施先进控制所需成本只占其产生效益的很小一部分比例。 国外发达国家经验表明(孙德敏等， 2003)：采用先进控制理论和过程优化将增加30%的投资，但可提高产品层次和质量，降低能源和原材料消耗，从而增加85%的效益，如图1所示。投资70%的资金购置DCS，换来的是15%的经济效益；再增加30%的投资，可以换来85%的经济效益。其中增加的8%用于传统的先进控制(TAC)，得到的经济效益是8%；增加的13%用于预测控制(DMC)，得到的经济效益为37%；增加的9%用于在线闭环优化(CLRTO)，换来的经济效益是40%！因此，实施先进控制与优化是不用投资的技术改造。 然而，控制理论本身也面临着一些问题和困难，需要不断改进和提高。尽管大量新的控制算法不断涌现，但常规的PID及改进的PID控制算法仍广泛应用于工业控制领域。一些先进控制算法专用性强、适应性差、鲁棒性能差、算法复杂、实施和维护成本高，这些都限制了它们的推广和发展。据日本控制技术委员会(SICE)对110家企业和150位控制工程师调查显示(Huruo, 1998)，近20年来，工业界迫切需要解决的控制难题分别是：大滞后、强耦合、时变、严重干扰以及非线性对象的控制，这些问题始终都没有得到切实有效的解决。部分先进控制理论理论性太强，实际应用需做大量的改进和简化，使先进控制具备鲁棒性是当前重要的发展方向。 在先进控制技术中，最有应用前途的是模型预测控制，该技术经历了4代发展，已非常完善和成熟了。第一代模型预测技术以DMC(Cutler, 1979)和IDCOM(Richalet, 1978)两种商业产品为标志；QDMC(Garcia, 1986)标志着第二代
拥塞控制算法
TCP拥塞控制算法 为了防止网络的拥塞现象，TCP提出了一系列的拥塞控制机制。最初由V. Jacobson在1988年的论文中提出的TCP的拥塞控制由“慢启动(Slow start)”和“拥塞避免(Congestion avoidance)”组成，后来TCP Reno版本中又针对性的加入了“快速重传(Fast retransmit)”、“快速恢复(Fast Recovery)”算法，再后来在TCP NewReno中又对“快速恢复”算法进行了改进，近些年又出现了选择性应答( selective acknowledgement,SACK)算法，还有其他方面的大大小小的改进，成为网络研究的一个热点。 TCP的拥塞控制主要原理依赖于一个拥塞窗口(cwnd)来控制，在之前我们还讨论过TCP还有一个对端通告的接收窗口(rwnd)用于流量控制。窗口值的大小就代表能够发送出去的但还没有收到ACK的最大数据报文段，显然窗口越大那么数据发送的速度也就越快，但是也有越可能使得网络出现拥塞，如果窗口值为1，那么就简化为一个停等协议，每发送一个数据，都要等到对方的确认才能发送第二个数据包，显然数据传输效率低下。TCP的拥塞控制算法就是要在这两者之间权衡，选取最好的cwnd值，从而使得网络吞吐量最大化且不产生拥塞。 由于需要考虑拥塞控制和流量控制两个方面的内容，因此TCP的真正的发送窗口=min(rwnd, cwnd)。但是rwnd是由对端确定的，网络环境对其没有影响，所以在考虑拥塞的时候我们一般不考虑rwnd的值，我们暂时只讨论如何确定cwnd值的大小。关于cwnd的单位，在TCP中是以字节来做单位的，我们假设TCP 每次传输都是按照MSS大小来发送数据的，因此你可以认为cwnd按照数据包个数来做单位也可以理解，所以有时我们说cwnd增加1也就是相当于字节数增加1个MSS大小。 慢启动：最初的TCP在连接建立成功后会向网络中发送大量的数据包，这样很容易导致网络中路由器缓存空间耗尽，从而发生拥塞。因此新建立的连接不能够一开始就大量发送数据包，而只能根据网络情况逐步增加每次发送的数据量，以避免上述现象的发生。具体来说，当新建连接时，cwnd初始化为1个最大报文段(MSS)大小，发送端开始按照拥塞窗口大小发送数据，每当有一个报文段被确认，cwnd就增加1个MSS大小。这样cwnd的值就随着网络往返时间(Round Trip Time,RTT)呈指数级增长，事实上，慢启动的速度一点也不慢，只是它的起点比较低一点而已。我们可以简单计算下： 开始 ---> cwnd = 1 经过1个RTT后 ---> cwnd = 2*1 = 2 经过2个RTT后 ---> cwnd = 2*2= 4 经过3个RTT后 ---> cwnd = 4*2 = 8 如果带宽为W，那么经过RTT*log2W时间就可以占满带宽。 拥塞避免：从慢启动可以看到，cwnd可以很快的增长上来，从而最大程度利用网络带宽资源，但是