第3节 网络拥塞控制
网络拥塞：网络性能曲线
拥塞（Congestion）
- 拥塞
网络资源上有太多的分组时，将会导致网络性能下降。
对资源需求的总和 > 可用资源
资源：链路容量、交换节点中的缓存和处理机速度等。 - 拥塞产生的原因
低带宽线路
多个输入对应一个输出
节点缓冲容量太小
结点处理机速度不高
拥塞的策略： 决不只针对某个因素改善拥塞！！！
- 若结点缓存容量太小，到达结点的分组无空间暂存；
- 若增大结点缓存容量，而链路容量和处理机速度未提高，分组排队会很长，导致时延增大，可能因超时发送端进行重发，发出更多的分组，拥塞更加恶化；
- 提高结点处理机速度，增大链路容量，故然可以改善这段的拥塞，但可能只是将瓶颈转移到其他地方。
- 因此，针对某个因素的解决方案，只能对提高网络性能起到一定的好处，甚至仅仅是转移了影响性能的瓶颈。
拥塞控制与流量控制的差别
- 拥塞控制（congestion control）
需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性过程，涉及主机、路由器等很多因素； - 流量控制（flow control)
与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部过程，一般都是基于反馈进行控制的。
拥塞和流量控制的区别
拥塞控制所起的作用
5.3.1 拥塞控制的通用原则
-
有两种思路
防患未然
亡羊补牢
两种思路
-
Open loop（开环方法）
试图采用良好的设计来解决问题，本质是从一开始就保证不会发生拥塞问题。
一旦网络系统启动运行起来，就不需要中途做修正。 -
Closed loop（闭环方法）
基于返回环路的概念基础之上：
Explicit feedback （显式反馈）
Implicit feedback（隐式反馈）
5.3.2 开环方法：拥塞预防策略
闭环控制策略
-
三个步骤：
监视系统，检测到何时何地发生了拥塞
将该信息传递到能够采取行动的地方
调整系统的运行，以改正问题。
1.监视系统，检测是否发生拥塞
-
拥塞控制使用的度量标准
丢弃的分组所占的百分比（缺少缓冲区空间）
平均队列长度
超时和重传分组的数量
平均分组延迟和分组延迟的标准方差
2. 将拥塞信息传输到能够采取行动的地方
-
拥塞信息的传输方法（隐式和显示反馈）
给流量源发送一个分组，告知拥塞的发生；
在分组中增加一个位或一个域，检测到拥塞时，路由器填充该位，在它所有的输出分组中填充该域，以告警它的邻居
主机或路由器周期性地向外发送探询分组，显示地询问有关拥塞状况，然后在有问题的区域中，可以利用这些信息来路由流量。
3. 调整系统的运行
-
目的：拥塞消息将最终导致主机采取适当的行动来减轻拥塞。
-
谨慎的调整时间尺度：
系统不会产生剧烈震荡
拥塞机制要及时有效
5.3.3 虚电路子网中的拥塞控制
资源预留策略（虚电路子网）
-
资源预留：
建立虚电路时，主机与子网达成协议，子网根据协议在虚电路上为此连接预留资源。
问题是：
是任何时刻都使用资源预留吗？
还是只在发生拥塞时？
5.3.4 数据报子网中的拥塞控制
警告位（The Warning Bit）
-
路由器
当输出线路达到告警状态时，路由器将发送出去的分组头部设置告警位。 -
目的地
当分组到达目的地时，告警位被复制到ACK分组中，发给源端。 -
源端
随着带有警告位的确认分组不断回来时，源端不断的降低它的传输速率
当带有警告位的确认分组减少到规定值时，源端增加它的传输速率
由于沿途的路由器都可能设置警告位，所以只有当所有的路由器都排除了问题之后，流量才能增加上去。
抑制分组（ Choke Packets ）
-
路由器
路由器给源端返回一个抑制分组，并指出原分组的目标地址；
原来的分组被打上一个标记，防止沿途其他路由器又重复产生抑制分组 -
源端主机
收到抑制分组后，将发送到指定目标的流量减少X百分比 随后到达的具有相同目的地抑制分组被忽略
一段间隔后，继续监听
如果又有抑制分组，则进一步降低发送流量；
如果没有抑制分组，则增加流量
主机可以调节流量，例如利用一个窗口
第一次可以导致流量减少到原来的 50%, 第二此可以减少到 25%......
快速减少，缓慢增加
逐级跳（hop-by-hop）抑制分组
-
产生原因
在高速、长距离的网络中，由于源主机响应太慢，抑制包算法对拥塞控制的效果并不好，可采用逐跳抑制包算法。 -
基本思想
抑制包对它经过的每个路由器都起作用；
能够迅速缓解发生拥塞处的拥塞；
上游路由器要求有更多的缓冲区；
5.3.5 负载丢弃（load shedding）
-
原则
上述算法都不能消除拥塞时，路由器只得将包丢弃； -
针对不同服务，可采取不同丢弃策略
随机丢弃
Wine & Milk
E.g. file transfer, multimedia
Requires cooperation from the senders
分组带有优先级
E.g. algorithms for compressing video, …
The low-priority packets being cheaper to send than the high-priority ones, …
RED (Random Early Detection)
Drop packets before the situation has become hopeless
How should the router tell the source about the problem?
Send a choke packet
Just discard the selected packet
Sources respond to lost packets by slowing down their transmission rate
从网络上看视频时，为何总要缓存，缓存？
5.3.6 抖动（jitter）控制
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抖动：分组到达时间的变化量被称为抖动。
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路由器对抖动的控制方法
来得晚的，加快其转发速度；
提早到达的，让分组在缓冲区中多逗留一会。
