薛禮　陳利

摘 要：互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展帶來了一系列問題，其中比較典型的是網(wǎng)絡(luò)擁塞。網(wǎng)絡(luò)擁塞就是用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求總和超過了網(wǎng)絡(luò)的提供能力，從而造成網(wǎng)絡(luò)性能下降。因此，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)需要考慮擁塞控制問題。目前比較典型的擁塞控制策略有端到端擁塞控制和基于路由器的擁塞控制。闡述了RED擁塞控制技術(shù)在路由器中的應(yīng)用及相比其它擁塞控制技術(shù)所具有的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：擁塞控制；RED；NS2網(wǎng)絡(luò)模擬

DOIDOI：10.11907/rjdk.162013

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011017902

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)從最初的電子郵件、文件傳輸?shù)群唵螒?yīng)用到現(xiàn)在即時(shí)通信、P2P等多維化應(yīng)用，給人們學(xué)習(xí)、工作和生活帶來了越來越多的便利?；ヂ?lián)網(wǎng)是世界上最大的一個(gè)異構(gòu)計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)，由成千上萬的網(wǎng)絡(luò)互連而成，其復(fù)雜程度決定了在其迅速發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)一系列問題，其中比較典型的就是網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)聚集大量的數(shù)據(jù)包，使節(jié)點(diǎn)無法及時(shí)處理數(shù)據(jù)，從而造成延遲增加，大量數(shù)據(jù)重傳，甚至拒絕給用戶提供服務(wù)等，是影響帶寬、節(jié)點(diǎn)交換機(jī)緩存、吞吐量等網(wǎng)絡(luò)資源利用率的關(guān)鍵因素。擁塞威脅在互聯(lián)網(wǎng)早期就已經(jīng)展露出來，1984年Nagle在其報(bào)告中就提出了由于TCP連接中沒必要的重傳所引起的擁塞崩潰[1]，這種現(xiàn)象在1986-1987年間發(fā)生了多次。因此，有效控制網(wǎng)絡(luò)擁塞是保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QOS）的重要環(huán)節(jié)。

1 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略

擁塞控制就是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采取措施來避免擁塞發(fā)生或者對擁塞作出反應(yīng)[2]。目前互聯(lián)網(wǎng)使用的是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，在使用協(xié)議發(fā)展過程中，傳輸控制協(xié)議TCP對網(wǎng)絡(luò)擁塞控制起著主要作用。TCP協(xié)議屬于傳輸層協(xié)議，提供面向連接的端到端服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠和穩(wěn)定的服務(wù)保證，互聯(lián)網(wǎng)中90%以上的應(yīng)用在傳輸層都會(huì)采用該協(xié)議。目前TCP協(xié)議中包含了一些避免和控制網(wǎng)絡(luò)擁塞算法，如慢啟動(dòng)、擁塞避免、快重傳和快速恢復(fù)等，相應(yīng)的TCP協(xié)議版本包括TCP Tahoe、TCP Reno、TCP New Reno等。事實(shí)證明，加入這些策略的TCP協(xié)議能在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方面起到重要作用，保證了終端的友好性和公平性，服務(wù)質(zhì)量也得到改善。

TCP擁塞控制實(shí)施位置是端結(jié)點(diǎn)，通過中間節(jié)點(diǎn)反饋的信息調(diào)整發(fā)送速率。隨著互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用復(fù)雜度的增加以及非TCP應(yīng)用的增多，完全依賴在終端系統(tǒng)中實(shí)施擁塞控制策略很難保證服務(wù)質(zhì)量，因此擁塞控制策略會(huì)轉(zhuǎn)向在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)即路由器中實(shí)施，希望通過這種措施來改善端到端技術(shù)無法達(dá)到的效果。節(jié)點(diǎn)擁塞控制和端到端擁塞控制結(jié)合使用，可使擁塞控制更有效，以保持網(wǎng)絡(luò)的良好性能。

2 RED技術(shù)

基于路由器的擁塞控制策略核心思想是監(jiān)測以及控制路由器中緩存隊(duì)列長度。路由器結(jié)構(gòu)會(huì)在輸入輸出端口設(shè)置一定的緩沖區(qū)，用來緩存到達(dá)路由器但未處理的分組，當(dāng)?shù)竭_(dá)的分組數(shù)過多造成緩沖區(qū)隊(duì)列溢出時(shí)，路由器會(huì)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的反饋信息。由于傳統(tǒng)隊(duì)列控制機(jī)制是先進(jìn)先出FIFO，此時(shí)新到的分組處于隊(duì)尾將會(huì)丟棄，這種擁塞控制技術(shù)也叫做隊(duì)尾丟棄Droptail。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，但存在“死鎖”、“滿隊(duì)列”、“全局同步”等問題。因此，目前傾向采用主動(dòng)隊(duì)列管理技術(shù)AQM來改進(jìn)。

2.1 RED技術(shù)思想

主動(dòng)隊(duì)列管理技術(shù)是通過有意識地控制隊(duì)列長度來預(yù)防擁塞，使隊(duì)列不用等到隊(duì)列填滿出現(xiàn)擁塞時(shí)才丟棄分組來通知擁塞。AQM策略的代表是隨機(jī)早期丟棄RED（Random Early Discard）技術(shù)，其思想是通過監(jiān)測路由器端口平均隊(duì)列長度來探測擁塞，一旦發(fā)現(xiàn)擁塞出現(xiàn)，就隨機(jī)選擇連接來通知，使這些連接的發(fā)送端在隊(duì)列緩沖區(qū)溢出前減小發(fā)送窗口，降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。這種技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在“隨機(jī)”上，即網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞早期征兆時(shí)，先以概率p隨機(jī)丟棄個(gè)別連接的分組，讓擁塞控制只在某些TCP連接上進(jìn)行，避免發(fā)生全局性擁塞控制[3]。在RED技術(shù)中，路由器隊(duì)列維持3個(gè)參數(shù)，即隊(duì)列長度最小閾值THmin、最大閾值THmax和隨機(jī)丟棄概率p。RED對每個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)包都先計(jì)算平均隊(duì)列長度Lav，若平均隊(duì)列長度小于最小閾值THmin，則將新到達(dá)的數(shù)據(jù)包放入隊(duì)列中排隊(duì)；若平均隊(duì)列長度超過最大閾值THmax，則將新到達(dá)的數(shù)據(jù)包丟棄；若平均隊(duì)列長度在最小閾值THmin和最大閾值THmax之間，則按照一定的概率p將新到的數(shù)據(jù)包丟棄，其中p的計(jì)算是最復(fù)雜的。

2.2 RED技術(shù)性能分析

為了解RED技術(shù)優(yōu)勢，本文利用NS2網(wǎng)絡(luò)模擬器模擬RED工作，通過NS2中的流監(jiān)控對象來記錄一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)到trace文件中[4]。對于采用RED技術(shù)和Droptail技術(shù)的路由器隊(duì)列，記錄連接總時(shí)延、總丟包數(shù)、總到達(dá)包數(shù)及總離開包數(shù)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量中鏈路丟包率和平均時(shí)延兩個(gè)性能指標(biāo)。

（1） 圖1是兩種算法下相對于不同緩沖區(qū)大小延遲的結(jié)果?？梢钥闯?，路由器中數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲隨著緩沖區(qū)容量增大而增大，這是因?yàn)殡S著緩沖區(qū)增大，包在緩沖區(qū)中允許的平均隊(duì)長增加，從而增大了路由器中隊(duì)列排隊(duì)時(shí)間。在相同緩沖區(qū)大小時(shí)，Droptail路由延遲高于RED路由延遲。當(dāng)緩沖區(qū)容量不變時(shí)，將路由隊(duì)列管理算法由Droptail改為RED，傳輸時(shí)延有明顯改善。

（2）圖2是兩種算法下路由器丟包率相對于不同緩沖區(qū)大小的結(jié)果?？梢钥闯?，緩沖區(qū)小于一定數(shù)值（62）時(shí)，RED算法的丟包率大于Droptail算法，說明緩沖區(qū)較小時(shí)，RED算法優(yōu)勢并沒有體現(xiàn)出來；但緩沖區(qū)容量大于一定的數(shù)值后，RED算法的丟包率明顯小于Droptail算法。隨著緩沖區(qū)的增大，RED算法的丟包率呈下降趨勢。因此，緩沖區(qū)大小超過一定值后，將路由隊(duì)列管理算法由Droptail改為RED，丟包率明顯改善。

3 結(jié)語

本文通過仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了RED技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制問題具有較好的改善，能夠很好地控制平均隊(duì)列長度，在高吞吐量情況下能大大降低傳輸延遲，防止“全局同步”現(xiàn)象發(fā)生。但RED技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，例如不同環(huán)境的參數(shù)配置，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)抖動(dòng)，還需要足夠大的緩沖區(qū)、公平性問題的解決等，這是后續(xù)對RED技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的研究點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] LARRY L PETERSON， BRUCE S DAVIE.Computer networks：a system approach[M].Morgan Kaufmann Publisher，2000.

[3] 劉佳琦，陳志剛，李登.路由器算法Droptail和RED的分析與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006（8）：128131.

[4] 徐雷鳴，龐博.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）