家用路由器中的流量控制功能设计实现及其算法研究

摘要

随着家庭网络业务的发展，家庭网络场景中出现了一些新型的业务流量特征，比如实时流量要求低时延传输、P2P下载型业务容易占用大量带宽等。但是，传统的家用路由器流量控制方案，通常选择闭源操作系统进行开发，只提供基于IP和端口的简单流量控制功能，无法根据业务流量的具体情况自动执行流量控制策略，而且流量控制算法在家庭网络业务流量特征方面的研究相对滞后。为了进一步提升家庭用户的网络服务体验，家用路由器中的流量控制技术成为了路由器厂商关注的热点。
　　针对上述问题，本文依托于与公司合作的路由器项目，对家用路由器中的流量控制功能进行了设计和实现，并对流量控制算法进行了研究和改进，主要工作包括以下方面：
　　第一，本文对QoS的基础理论、流量控制基础原理和关键技术进行研究和分析，并结合家庭网络场景的流量特征，细化了该场景下的QoS需求。
　　第二，本文根据路由器项目合作方在家庭网络流量控制方面的功能需求，基于 OpenWrt开源操作系统，设计和实现了流量控制功能，具体包括流量检测和统计模块、流量控制核心模块、Web管理模块三个部分。其中，流量检测和统计模块进一步细分为数据包捕获、流量识别和流量统计三个子模块进行实现，流量控制核心模块则主要实现了自动流量控制功能，Web管理模块主要在LuCI框架基础上扩展和实现了一套Web管理界面。功能测试结果表明，在现有家庭业务场景下，本文设计的流量控制功能，实现了对业务流量的识别和记录，取得了较好的流量控制效果，为家庭场景下的流量控制管理方案提供有效的参考。
　　第三，本文结合家庭网络场景中现有流量控制算法的不足以及路由器项目合作方在提升流量控制算法性能方面的需求，选取具有带宽共享公平性特征的加权公平队列调度算法（WFQ）为研究对象，进行了深入分析。针对家庭网络场景中实时业务流量对时延的要求，在WFQ算法基础上，设计了一种实时流量优先的加权公平队列调度算法（RF-WFQ），根据网络流量情况执行动态权值调整策略和带宽分配策略。最后，在NS-2平台上对RF-WFQ算法进行仿真和分析。仿真结果表明，在一定的突发业务速率范围内，RF-WFQ算法能够在链路带宽有限的情况下，有效降低实时业务的时延，提高实时业务的吞吐量，改进后的算法在理论仿真层面证明了其适用于家庭网络场景的流量控制需求，为后续的算法实现打下了基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的内容

1.4 论文章节安排

第二章 QoS与流量控制技术分析

2.1 QoS基础理论

2.2 家庭网络场景的QoS研究

2.3 流量控制原理

2.4 流量识别技术

2.5 流量控制算法

2.6 本章小结

第三章 流量控制功能设计与实现

3.1 流量控制功能需求分析

3.2 流量控制功能总体设计

3.3 流量控制功能具体设计

3.4 流量控制功能具体实现

3.5 流量控制功能测试

3.6 本章小结

第四章 流量控制算法研究与改进

4.1 引言

4.2 WFQ算法研究和分析

4.3 RF-WFQ算法设计和分析

4.4 算法仿真环境搭建

4.5 算法仿真结果分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果