發(fā)布時間：2020-11-20 11:16

　　 隨著計算機網絡和通訊技術的發(fā)展,通訊設備通常配備多個網卡接口,例如智能手機和便攜式電腦都配置有WiFi和LIE等多個網卡。然而傳統(tǒng)的單路徑TCP連接只使用單個的網卡和鏈路進行傳輸,導致剩余的接口和鏈路資源空閑以及單路徑傳輸的性能問題。為了實現多網卡多鏈路的同時傳輸,互聯網工程任務組提出并標準化多路徑傳輸控制協議(MPTCP),它將單一的TCP數據流劃分為多個子流,在不同的鏈路傳輸。由于鏈路多樣性,MPTCP 比單路徑TCP更加可靠,并且能充分利用網絡資源。然而在多鏈路網絡,特別是異構網絡中,每條鏈路在帶寬、往返時延等服務質量指標上存在較大差異,使得MPTCP面臨緩沖區(qū)膨脹、帶寬利用率低、隊頭阻塞、吞吐量下降、應用延遲增大等性能問題。擁塞控制和數據包調度是MPTCP的基本機制,同時是MPTCP設計和實現的核心。因此,優(yōu)化MPTCP的傳輸性能,需要考慮以下兩個問題:(1)擁塞控制問題,即如何為每個子流設置合適的擁塞窗口。子流的擁塞窗口直接影響子流的吞吐量,對MPTCP的總吞吐量等服務質量指標有著重要影響。(2)數據包調度問題,即如何在各個子流間進行數據包調度。MPTCP數據包調度算法決定了子流之間的數據流量分配。一個優(yōu)秀的MPTCP數據包調度算法能夠適應復雜多變的網絡環(huán)境,優(yōu)化子流之間的流量分配,提高MPTCP的性能。針對上述問題,本文分析了傳統(tǒng)啟發(fā)式擁塞控制算法和數據包調度算法的缺陷:基于特定或簡化的網絡模型,采用固定的控制規(guī)則,在復雜多變的動態(tài)網絡中,難以實現最優(yōu)的擁塞控制和數據包調度。為了從根本上解決上述問題,本文提出并實現基于強化學習的MPTCP擁塞控制算法SmartCC和基于深度強化學習的MPTCP數據包調度算法ReLeS。SmartCC把擁塞控制過程建模為馬爾可夫模型,使用強化學習技術,訓練生成不同網絡環(huán)境下的最優(yōu)的擁塞控制規(guī)則。實驗表明:SmartCC在總吞吐量、時延抖動等方面均優(yōu)于現有MPTCP擁塞控制算法。ReLeS用人工深度神經網絡表示MPTCP數據包調度策略,訓練生成各種網絡環(huán)境下的最優(yōu)數據包調度策略。實驗結果表明,對比現有啟發(fā)式MPTCP數據包調度算法,ReLeS能自適應多種動態(tài)的網絡環(huán)境,綜合優(yōu)化吞吐量、應用時延等指標,有效緩解隊頭阻塞和緩沖區(qū)膨脹等問題。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP393.06
【部分圖文】：

、??圖１－１：?ＭＰＴＣＰ的協議棧??ＴＣＰ／ＩＰ協議族是一組不同層次上的多個協議的組合，如圖１－１左側所示，??ＴＣＰ／ＩＰ通常被表示為一個四層協議系統(tǒng)，每層負責不同的功能，層與層之間分??工合作［Ｉ］。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅動程序和計算機中對應的網??絡接口卡，處理物理接口的細節(jié)；網絡層負責處理分組選路等分組在網絡中的??活動；傳輸層負責為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸控制協議??ＴＣＰ屬于傳輸層的協議，可以提供高可靠性的數據通信；應用層負責處理特定??的應用程序細節(jié)［１］。??如圖１－１右側所示，ＭＰＴＣＰ也屬于傳輸層的協議，可以看作是單路徑ＴＣＰ??擴展到多路徑的多路傳輸協議。ＭＰＴＣＰ使得多網卡、多鏈路的資源得以充分利??用，同時提高傳輸的效率和魯棒性。ＭＰＴＣＰ使用與單路徑ＴＣＰ?—樣的ｓｏｃｋｅｔ??接口，使得能夠兼容現有的ＴＣＰ應用。同時ＭＰＴＣＰ的每個子流和單路徑ＴＣＰ??流類似，使用相同的ＴＣＰ首部數據格式和數據封裝過程，這使得ＭＰＴＣＰ能夠??兼容其下的網絡層協議。??圖１－２展示了使用ＭＰＴＣＰ進行數據傳輸時

?、、、、?ＴＣＰ！?ＴＣＰ２?…ＴＣＰｎ??、??圖１－１：?ＭＰＴＣＰ的協議棧??ＴＣＰ／ＩＰ協議族是一組不同層次上的多個協議的組合，如圖１－１左側所示，??ＴＣＰ／ＩＰ通常被表示為一個四層協議系統(tǒng)，每層負責不同的功能，層與層之間分??工合作［Ｉ］。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設備驅動程序和計算機中對應的網??絡接口卡，處理物理接口的細節(jié)；網絡層負責處理分組選路等分組在網絡中的??活動；傳輸層負責為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸控制協議??ＴＣＰ屬于傳輸層的協議，可以提供高可靠性的數據通信；應用層負責處理特定??的應用程序細節(jié)［１］。??如圖１－１右側所示，ＭＰＴＣＰ也屬于傳輸層的協議，可以看作是單路徑ＴＣＰ??擴展到多路徑的多路傳輸協議。ＭＰＴＣＰ使得多網卡、多鏈路的資源得以充分利??用，同時提高傳輸的效率和魯棒性。ＭＰＴＣＰ使用與單路徑ＴＣＰ?—樣的ｓｏｃｋｅｔ??接口，使得能夠兼容現有的ＴＣＰ應用。同時ＭＰＴＣＰ的每個子流和單路徑ＴＣＰ??流類似

圖３－３：基于強化學習的ＭＰＴＣＰ擁塞控制ＳｍａｒｔＣＣ的框架??態(tài)映射到離散的狀態(tài)區(qū)域塊。所以每個狀態(tài)ｓ可以由一個狀態(tài)區(qū)域塊ｔ?＝?ｉＡ〇）??表示，該等式表示狀態(tài)區(qū)域塊Ｔ包含狀態(tài)ｓ或者狀態(tài)區(qū)域塊Ｔ被狀態(tài)ｓ激活。??因此，２函數（動作值函數）可以表示為：２（ｒ，ａ）?＝?２（少⑷，ａ）＝Ｅ［２：ｙＶ，］，??其含義為從狀態(tài)ｓ出發(fā)，執(zhí)行動作《后，機器能得到的累積折扣獎賞的期望。??本文采用基于表格形式的Ｑ－ｌｅａｍｉｎｇ算法［３７］，來學出一個貪婪的確定性??策略?７ｒ（ａ，）?＝?ａｒｇｍａｘａ?２（少（＼），＾〇。舉例，當?Ａ?＝?ａｒｇｍａｘａ?２（０（４），＾，那么如果??機器從狀態(tài)＾出發(fā)，執(zhí)行動作并一直根據該策略選擇執(zhí)行動作，機器將??會得到最大化的累積折扣獎賞。訓練器的規(guī)則表也會根據策略７Ｔ添加或更新規(guī)??則—個基于貪婪確定性策略的規(guī)則表如表３－３所示，它指定了不同狀??態(tài)下最大化累積折扣獎賞的動作。例如表３－３的第一行規(guī)則＜Ｔｌ５?Ａ?＞，第一項??被狀態(tài)ｈ激活的狀態(tài)區(qū)域塊ｎ?＝?（Ａｈｉ），第二項是基于２函數最大化的動作??ａｘ?＝?ａｒｇｍａｘａ?Ｑ（ｉ／／（ｓｉ），ａ）〇??
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本文編號：2891344