论文总字数：30523字

摘 要

随着云计算和数据密集型计算的快速发展，数据中心网络作为底层基础设施逐渐成为云计算和网络研究领域热点。数据中心网络传输性能直接影响到上层应用的效率，但研究发现，TCP协议在高带宽、低延迟的数据中心网络中存在性能问题。因此，本文对数据中心网络TCP协议优化问题展开研究。主要研究内容和贡献如下：

首先，分析数据中心网络的体系结构和特点，描述普遍存在于TCP协议中的TCP Incast吞吐量急剧下降问题和短流高延迟问题。分析这些问题产生的原因，进而通过实验对几种解决方案进行比较分析，找出其可借鉴之处和局限性。

其次，总结数据中心网络TCP协议现有的改进方案。详细阐述其中的DCTCP协议，介绍其设计原理和算法实现，并通过NS2仿真实验对其进行了性能分析。

然后，针对DCTCP协议存在的短流完成时间较长的问题，设计一种新的窗口演化机制，通过加快收敛的方式使短流能在恢复阶段更快的达到公平带宽。

最后，总结全文，并展望下一步工作。

关键词：数据中心网络；传输协议；拥塞控制；TCP Incast；NS2仿真

The Optimization of TCP in Data-Center Networks

Abstract

With the rapid development of cloud computing and data intensive computing, data center network as the underlying infrastructure has gradually become a hot spot in cloud computing and network research. Data center network transmission performance directly affects the efficiency of the upper application, but the study found that, TCP in high bandwidth, low latency data center networks exist performance problems. Therefore, in this paper the data center network TCP protocol optimization problem is studied. The main contents and contributions are as follows:

Firstly, analyzed the structure and features of the data center network, described the problem which is called TCP Incast and the high latency of short flow. This paper analyzed the reasons of these problems, and then compared these several solutions through experiments to find out the reference and limitations of the solution.

Secondly, summarize the existing improvement scheme of the data center network TCP protocol. This paper describes the DCTCP protocol, analyzes its design principle and algorithm, and analyzes its performance by NS2 simulation experiments.

Then, in order to reduce the problem that short flow out of the time in DCTCP protocol, this paper proposed a new window evolution mechanism，by accelerating the convergence during the recovery phase the short flow can achieve fair bandwidth faster.

Finally, we summarize our research work, and some perspectives for the future work will be outlined.

Keywords: Data Center Network; Transmission Protocol; Congestion Control; TCP Incast; NS2 Simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.2 研究背景 1

1.1.2 研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 课题研究内容 3

1.4 论文结构 4

第二章 数据中心网络概述 5

2.1 数据中心网络的体系结构 5

2.2 数据中心网络的特点 6

2.3 数据中心网络TCP协议问题 7

2.3.1 TCP Incast性能问题 7

2.3.2 短流高延迟问题 7

2.4 本章小结 7

第三章 典型数据中心TCP协议及实验分析 8

3.1 TCP Incast性能问题的解决方案 8

3.1.1 改变数据中心网络参数 8

3.1.2 设计新的拥塞控制算法 8

3.1.3 采用基于编码的传输方案 9

3.2 短流高延迟问题的解决方案 10

3.2.1 减小队列长度 10

3.2.2 优先对待短流 10

3.2.1 利用多路径传输 12

3.3 NS2仿真实验设计 12

3.3.1 NS2概述与仿真过程 12

3.3.2 实验设计 13

3.3.3 实验结果分析 15

3.4 本章小结 21

第四章 DCTCP协议的研究及改进 22

4.1 DCTCP协议 22

4.1.1 设计原理 22

4.1.2 算法实现 24

4.1.3 扩展协议D2TCP 26

4.2 DCTCP协议的性能分析 28

4.2.1 拥塞窗口变化分析 28

4.2.2 缓冲区队列变化分析 29

4.2.3 延迟时间变化量分析 30

4.2.4 吞吐量变化分析 31

4.2.5 丢包率变化分析 32

4.3 DCTCP协议的改进 33

4.3.1 设计思想 33

4.3.2 算法实现 34

4.4 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 38

参考文献 40

致 谢 43

第一章 绪论

本章主要论述本课题的研究背景和研究意义，以及本课题在国内外的研究现状，并阐述本文研究的主要内容以及论文结构。

1.1 研究背景和意义

1.1.2 研究背景

近年来，随着大规模的IT企业联合进入数据中心领域，以及云计算服务提供商如亚马逊和谷歌、微软的出现，数据中心作为底层基础设施成为研究热点。数据中心网络向上层的分布式文件系统、结构化数据^[4]和虚拟化技术^[3]等提供可靠、高效的数据通信、计算和存储服务，数据中心的性能直接影响到上层应用的效率。

在数据中心设计中，一个一致的主题是建立高可用的、高性能的使用低成本的计算和存储基础设施。目前，低成本的交换机^[6]在在机架顶部很常见，一台提供多达48个1Gbps的端口的交换机价值2000美元，大致与一台数据中心的服务器相当。

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