基于效用优化理论的数据中心网络TCP拥塞控制建模与实现方法研究

TCP congestion control over Data Center Networks (DCN) is a hot research topic in the networking research community. Many solutions on this topic have been proposed in recent years. However, a common limitation of existing solution is that most of their ideas are motivated by intuitive experiment results, and the works that built on solid theory foundation are very few. This limitation leads most of existing solutions are only effective for unique congestion control problem of DCN, for example only for network utilization or for fairness. The solutions that can meet all requirements of DCN congestion control is still lacking. This project plans to investigate the TCP congestion control issue of DCN from a network system modeling perspective, builds a network utility optimization theory based DCN congestion control system model, and proposes a series of TCP congestion control implementations that are more adaptable to DCN. The proposed researches include: 1) building DCN TCP congestion control system model based on the network utility optimization theory. 2) Designing the TCP congestion control solution for TCP Incast. 3) Designing the high performance and fair TCP congestion control algorithm for DCN. 4) Sutding the deployment issues of proposed TCP congestion control algorithms over DCN. All of proposed models and algorithms will be tested on emulator and real DCN mixed data center test bed. The solutions are proposed in the project may markedly improve the throughput performance and fairness of TCP congestion control over DCN, and meet the deployment reqirements. The model tools designed in this research not only is a new idea that can be used to analyze DCN congestion control perfromance, but also build a new theoretical system that can be used in future DCN researches.

数据中心网络（Date Center Networks，DCN）的TCP拥塞控制技术研究是当前计算机网络领域中一个前沿性热点课题，相关的研究工作目前还处在起步的阶段，因此在方案的有效性、公平性和部署性等方面尚存在着一定的不足，尤其是缺乏建模整个DCN拥塞控制系统的理论模型来为方案设计工作提供有效的指导。针对这一现状，本课题使用网络效用优化理论，对DCN中的TCP拥塞控制系统进行建模，并在模型分析的基础上设计更具DCN适应性的TCP拥塞控制实现方案。具体的研究内容包括：1）构建DCN拥塞控制系统模型；2）研究针对TCP Incast问题的TCP拥塞控制方案；3）研究DCN中TCP拥塞控制算法的效率-公平性优化方案；4）研究新算法在DCN中的演进性部署问题。本课题有望突破DCN中拥塞控制的一些基础性理论问题，大幅度改进和优化DCN中TCP的传输有效性、公平性和部署性，为工程实践奠定坚基础。

基于TCP的拥塞控制是目前数据中心网络中应用最为广泛的拥塞控制技术，然而传统的TCP拥塞控制方案在DCN独特的网络环境中表现出了严重的性能和公平性问题。围绕该问题，本项目从理论建模、算法设计和实验平台研制等角度出发，系统的研究DCN中的TCP拥塞控制技术，在理论和应用两个方面取得突破性的研究成果。课题组成员在为期三年的研究中取得如下重要研究成果：1）针对基于延迟的TCP拥塞控制算法在数据中心网络当中的应用；该部分研究工作包括：DC-Vegas-基于延迟的数据中心TCP拥塞控制算法研究、使用速率控制方法改进数据中心TCP拥塞控制性能研究两个方面。 2）新型TCP拥塞控制算法和传统拥塞控制算法的兼容性；该部分研究工作包括：CUBIC-FIT-一种TCP CUBIC友好的高性能拥塞控制算法研究、基于延迟的高性能TCP算法与TCP Reno的公平性研究等两个方面。3）混合数据中心网络中的TCP拥塞控制方法研究；该部分工作提出了WDCTCP一种面向混合数据中心的TCP拥塞控制算法。4）效用优化理论在数据中心TCP性能分析中的应用；该部分工作使用效用优化模型研究了异构网络的拥塞控制均衡问题。上述成果已形成10篇标注课题资助的学术论著获得发表，其中8篇中课题负责人为第一作者。论著包括SCI论文6篇，EI论文4篇。课题研究成果申请中国国家发明专利4项，其中授权专利1项。申请美国发明专利1项。由专利产生的重要技术成果被美国TCP公司采用，使用专利技术的网络优化软件被应用于国际一流公司的产品当中，已经服务于全球数亿互联网用户。通过本项目的实施，项目培养博士研究生1人、硕士研究生4人，项目组一名教师晋升副教授职称。