袁希群

鐵嶺廣播電視大學(xué)（鐵嶺 112000）

Internet網(wǎng)絡(luò)是分組交換網(wǎng)絡(luò)，資源為眾多用戶(hù)共享，無(wú)法根據(jù)資源狀態(tài)限制用戶(hù)數(shù)量，同時(shí)也無(wú)法控制用戶(hù)使用資源的數(shù)量。如果網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文數(shù)量過(guò)多，網(wǎng)絡(luò)來(lái)不及處理，勢(shì)必導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。擁塞控制就是TCP為了應(yīng)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況而對(duì)發(fā)送方進(jìn)行發(fā)送速率控制的一種服務(wù)。引發(fā)控制的原因就是網(wǎng)絡(luò)堵塞。

1 網(wǎng)絡(luò)擁塞概述

擁塞是一種持續(xù)過(guò)載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時(shí)用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求超過(guò)了固有的容量。就Internet的體系結(jié)構(gòu)而言，擁塞的發(fā)生是其固有的屬性。因?yàn)樵谑孪葲](méi)有任何協(xié)商和請(qǐng)求許可機(jī)制的資源共享網(wǎng)絡(luò)中，幾個(gè)IP分組同時(shí)到達(dá)路由器，并期望經(jīng)同一個(gè)輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)的可能性是存在的，顯然，不是所有分組可以同時(shí)接受處理，必須有一個(gè)服務(wù)順序，中間節(jié)點(diǎn)上的緩存為等候服務(wù)的分組提供一定保護(hù)。然而，如果此狀況具有一定的持續(xù)性，當(dāng)緩存空間被耗盡時(shí)，路由器只有丟棄分組。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在過(guò)多的報(bào)文時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)相應(yīng)下降，這種現(xiàn)象就被成為擁塞。

造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因：①多條流入線路有分組到達(dá)，并需要同一輸出線路，此時(shí)，如果路由器沒(méi)有足夠的內(nèi)存來(lái)存放所有這些分組，那么有的分組就會(huì)丟失；②路由器的慢帶處理器的緣故，以至于難以完成必要的處理工作，如緩沖區(qū)排隊(duì)、更新路由表等。

防止擁塞的方法：①在傳輸層可采用：重傳策略、亂序緩存策略、確認(rèn)策略、流控制策略和確定超時(shí)策略。②在網(wǎng)絡(luò)層可采用：子網(wǎng)內(nèi)部的虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)策略、分組排隊(duì)和服務(wù)策略、分組丟棄策略、路由算法和分組生存管理。③在數(shù)據(jù)鏈路層可采用：重傳策略、亂序緩存策略、確認(rèn)策略和流控制策略。

2 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

2.1 慢啟動(dòng)（slow－start）和擁塞避免（congestion avoidance）

發(fā)送報(bào)文段速率的確定，既要根據(jù)接收端的接收能力，又要從全局考慮不要使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，這由接收端窗口和擁塞窗口兩個(gè)狀態(tài)變量確定。接收端窗口rwnd（receiver window）又稱(chēng)通知窗口（advertised window），是接收端根據(jù)目前的接收緩存大小所許諾的最新窗口值，是來(lái)自接收端的流量控制。擁塞窗口cwnd（congestion window）是發(fā)送端根據(jù)自己估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)擁塞程度而設(shè)置的窗口值，是來(lái)自發(fā)送端的流量控制。

發(fā)送端發(fā)送窗口的上限值應(yīng)當(dāng)取接收端窗口rwnd和擁塞窗口cwnd之中較小的那一個(gè)，即發(fā)送窗口的上限值＝Min［rwnd，cwnd］。也就是說(shuō)TCP發(fā)送端的發(fā)送速率是受目的主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中較慢的一個(gè)約束。

慢開(kāi)始原理可以歸結(jié)為三點(diǎn)。

（1）當(dāng)主機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果立即將較大的發(fā)送窗口中的全部數(shù)據(jù)字節(jié)都注入到網(wǎng)絡(luò)中，那么由于不清楚網(wǎng)絡(luò)的情況，有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞；

（2）比較好的方法是試探一下，即從小到大逐漸增大發(fā)送端的擁塞窗口數(shù)值；

（3）通常在剛剛開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)可以現(xiàn)將擁塞窗口 cwnd設(shè)置為一個(gè)最大報(bào)文段 MSS的數(shù)值。在每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)后，將擁塞窗口增加至多一個(gè) MSS的數(shù)值。當(dāng) rwnd足夠大的時(shí)候，為了防止擁塞窗口cwnd的增長(zhǎng)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需另外一個(gè)變量——慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh。

擁塞控制的具體過(guò)程為。

（1）TCP連接初始化，將擁塞窗口 cwnd值置為1；

（2）執(zhí)行慢開(kāi)始算法，cwnd按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。直到cwnd＝ssthresh，開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法，cwnd按線性規(guī)律增長(zhǎng)；

（3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，把 ssthresh值更新為擁塞前ssthresh值的一半，cwnd重新設(shè)置為1，按步驟（2）執(zhí)行。

在這里強(qiáng)調(diào)一下，慢開(kāi)始的“慢”并不是指擁塞窗口cwnd的增長(zhǎng)速率慢，即使cwnd增長(zhǎng)得很快，和一開(kāi)始就將cwnd設(shè)置為較大的數(shù)值相比，使用慢開(kāi)始算法可以使發(fā)送端在開(kāi)始發(fā)送時(shí)向網(wǎng)絡(luò)注入的分組數(shù)大大減少。慢開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，擁塞避免按線性規(guī)律增長(zhǎng)。判斷網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的依據(jù)是發(fā)送方未按時(shí)收到ACK（TCP數(shù)據(jù)包首部中的確認(rèn)標(biāo)志，對(duì)已接收到的 TCP報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)。）或收到了重復(fù)的 ACK。“擁塞避免”并非指能夠完全避免擁塞，而是說(shuō)在擁塞避免階段將擁塞窗口控制為按線性規(guī)律增長(zhǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)不容易出現(xiàn)擁塞。

2.2 快重傳（fast retransmit）和快恢復(fù)（fast recovery）

一條TCP連接有時(shí)會(huì)因等待重傳計(jì)時(shí)器的超時(shí)而空閑較長(zhǎng)的時(shí)間，慢開(kāi)始和擁塞控制算法又無(wú)法很好地解決這類(lèi)問(wèn)題，因此提出了快重傳和快恢復(fù)的擁塞控制算法?？熘貍魉惴ú⒎侨∠酥貍鳈C(jī)制，只是在某些情況下更早地重傳丟失的報(bào)文段（如果當(dāng)發(fā)送端接連收到三個(gè)重復(fù)的確認(rèn)ACK時(shí)，則斷定分組丟失，立即重傳丟失的報(bào)文段，而不必等待重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)）?？旎謴?fù)算法常常與快重傳算法配合使用，當(dāng)不使用快恢復(fù)算法時(shí)，發(fā)送端發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞就將擁塞窗口降低為1，然后執(zhí)行慢開(kāi)始算法，這樣做會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能很快地恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。當(dāng)使用快恢復(fù)算法時(shí)，慢開(kāi)始算法只是在TCP建立時(shí)才使用。

2.3 隨機(jī)早期丟棄RED進(jìn)行擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)層策略對(duì)TCP擁塞控制影響最大的就是路由器數(shù)據(jù)報(bào)丟失策略。為了避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中的全局同步現(xiàn)象，可以在路由器采用隨機(jī)早期丟棄RED（Random Early Discard，隨機(jī)早期檢測(cè)）。RED正常工作的關(guān)鍵就是要選擇好三個(gè)參數(shù)：最小門(mén)限THmin、最大門(mén)限THmax和概率p。RED中的“隨機(jī)”就體現(xiàn)在概率p上，也就是說(shuō)RED不是等到已經(jīng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞后才將所有在隊(duì)列尾部的數(shù)據(jù)全部丟棄，而是在檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)擁塞的早期征兆時(shí)，就先以概率p丟棄個(gè)別數(shù)據(jù)報(bào)，讓擁塞控制只在個(gè)別TCP連接上進(jìn)行，因而避免發(fā)生全局的擁塞控制?？傊S機(jī)早期丟棄RED算法使得路由器可以更好的管理其隊(duì)列長(zhǎng)度。采用RED的好處就是當(dāng)平均隊(duì)列長(zhǎng)度超過(guò)門(mén)限THmin時(shí)，就會(huì)有少量的數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。

2.4 擁塞控制的其他算法

(1) TCP Vegas

1994年，Brakmo提出了一種新的擁塞控制機(jī)制TCP Vegas，從另外的一個(gè)角度來(lái)進(jìn)行擁塞控制。從前面可以看到，TCP的擁塞控制是基于網(wǎng)絡(luò)丟包，一旦出現(xiàn)丟包，于是調(diào)整擁塞窗口，然而由于丟包不一定是由于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了擁塞，但是由于RTT(Round-Trip Time，往返時(shí)延)值與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況有比較密切的關(guān)系，于是TCP Vegas利用RTT值的改變來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)是否擁塞，從而調(diào)整擁塞控制窗口。如果發(fā)現(xiàn)RTT在增大，Vegas就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)生擁塞，于是開(kāi)始減小擁塞窗口，如果RTT變小，Vegas認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞正在逐步解除，于是再次增加擁塞窗口。由于Vegas不是利用丟包來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，而是利用RTT變化來(lái)判斷，因而可以更精確的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，從而效率更好。TCP Vegas也存在一定的缺陷，在這里就不再闡述了。

(2) Limited transmit算法

這個(gè)算法是在擁塞窗口比較小的時(shí)候如果在一個(gè)傳輸窗口內(nèi)有多個(gè)包丟失時(shí)比較有效率的恢復(fù)算法。Limited Transmit就是當(dāng)收到兩個(gè)重復(fù)ACK時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)兩個(gè)條件：①接收方的通告窗口rwnd是否允許傳輸新的數(shù)據(jù)包，即是否滿足rwnd>cwnd？；②停留在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)是否小于或等于cwnd+2？

如果這兩個(gè)條件都滿足的話，那么TCP再發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，其實(shí)第二個(gè)條件換個(gè)意思理解就是說(shuō)在這種情況下可以超出擁塞窗口最多再發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)包。假設(shè)新的數(shù)據(jù)包和相應(yīng)的ACK不被丟失的話，那么有了這兩個(gè)新的數(shù)據(jù)包，從而發(fā)送端與接收端就可以立即從相互等待的僵局中恢復(fù)出來(lái)，發(fā)送方接著進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的快速恢復(fù)。注意的是盡管可以發(fā)送兩個(gè)新的數(shù)據(jù)包，但是cwnd的值要保持不變，而不能把它增加2。顯然Limited Transmit算法比利用超時(shí)重傳在包亂序時(shí)具有更好的魯棒性。

3 結(jié)語(yǔ)

擁塞控制不僅是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)又是實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提。實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不斷發(fā)展的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究也是一個(gè)非常困難、有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究仍有許多工作要做。

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