趙鶴群

（海軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

0 引言

信息時(shí)代之下，整個(gè)社會(huì)對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)的依賴程度都在增加，對(duì)應(yīng)的眾多數(shù)據(jù)瘋狂涌入，更多數(shù)據(jù)格式層出不窮，給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的 FTP、HTTP等數(shù)據(jù)格式飛升的同時(shí)，多媒體數(shù)據(jù)流成為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的新型突出特征，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性需求不降反升，諸多方面的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)中間路由節(jié)點(diǎn)的壓力大大提升，網(wǎng)絡(luò)擁塞隨之成為影響網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常工作的一個(gè)重要表征。曾經(jīng)Internet提供的“best-offer”服務(wù)機(jī)制在這樣的需求環(huán)境下表現(xiàn)為以較低的服務(wù)質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)持續(xù)的服務(wù)供給，這無疑無法滿足網(wǎng)絡(luò)用戶的需求，因此實(shí)現(xiàn)有效的擁塞控制，是標(biāo)志著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)工作質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

1 可信網(wǎng)絡(luò)與擁塞控制

在展開對(duì)于擁塞控制分析之前，首先要確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即達(dá)到何種水平的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，是用戶可以接受的，這就引入可信網(wǎng)絡(luò)的概念。所謂可信網(wǎng)絡(luò)（Trustworthy Network），是指網(wǎng)絡(luò)和用戶的行為及其結(jié)果總是可預(yù)期與可管理的，能夠做到行為狀態(tài)可監(jiān)測(cè)、行為結(jié)果可評(píng)估、異常行為可管理?？尚啪W(wǎng)絡(luò)的根本，在于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境從用戶一直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核各個(gè)層面的可控性，通過這種可控來實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)的調(diào)節(jié)，達(dá)到用戶體驗(yàn)以及資源利用等諸多方面的最優(yōu)。

當(dāng)前對(duì)于可信網(wǎng)絡(luò)的研究，多集中于可信計(jì)算的領(lǐng)域之上，但是對(duì)于IP QoS框架結(jié)構(gòu)的研究也已經(jīng)得到重視。一個(gè)比較典型的可信網(wǎng)絡(luò)IP QoS框架通?？紤]保持對(duì)網(wǎng)絡(luò)主干部分簡(jiǎn)化的態(tài)度展開組網(wǎng)，并且進(jìn)一步將復(fù)雜特征疊加到網(wǎng)絡(luò)邊界環(huán)境上。這種網(wǎng)絡(luò)能夠支持更多的擴(kuò)展需求，并且可以采用聚合機(jī)制將已經(jīng)確定的業(yè)務(wù)流依據(jù)對(duì)應(yīng)的安全 QoS要求進(jìn)行聚合，面向?qū)?yīng)的聚合簇提供服務(wù)。在此種網(wǎng)絡(luò)框架之下，邊界路由器（ER，Edge Router）負(fù)責(zé)依據(jù)安全QoS需求策略對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類和聚合，形成層業(yè)務(wù)流簇，而每個(gè)業(yè)務(wù)流簇則對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)分服務(wù)碼點(diǎn)（DSCP，Differentiated Services Code Point），與 ER相對(duì)的網(wǎng)絡(luò)核心路由器（CR，Core Router）負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)分組轉(zhuǎn)發(fā)，依據(jù)不同 DSCP提供不同轉(zhuǎn)發(fā)，有效保證每類業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量。

進(jìn)一步考察關(guān)于擁塞控制的相關(guān)思路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)于某一資源的需求大于供給的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)的整體性能就會(huì)受到限制，這其中，網(wǎng)絡(luò)資源不僅包括鏈路容量以及節(jié)點(diǎn)緩存，還包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的其他計(jì)算能力，尤其是當(dāng)前云環(huán)境之下，對(duì)于各種資源都應(yīng)當(dāng)加以考慮。擁塞的直接后果，多表現(xiàn)為分組丟失率的增加，以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的的增加，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)斐删植烤W(wǎng)絡(luò)環(huán)境崩潰[1-2]。對(duì)于擁塞的控制，當(dāng)前諸多方案可以劃分為兩種策略態(tài)度，即擁塞避免和擁塞恢復(fù)，其中前者著重于事前預(yù)防，而后者則注重如何將網(wǎng)絡(luò)從擁塞狀態(tài)中拯救出來。當(dāng)前常見的兩種控制方式，即基于中間節(jié)點(diǎn)的擁塞控制，以及TCP擁塞控制，就分別對(duì)應(yīng)于兩種控制策略，在實(shí)際工作中均有廣泛應(yīng)用。而對(duì)于擁塞控制算法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則主要從吞吐量、丟包率、端對(duì)端時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)等幾個(gè)方面展開。除了這幾個(gè)用于衡量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)水平的衡量依據(jù)以外，擁塞本身是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一種狀態(tài)，因此在評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)的控制算法的時(shí)候，也不能單純考察傳輸狀態(tài)，而忽視網(wǎng)絡(luò)整體性能。對(duì)于系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)，通常會(huì)考慮用資源分配效率和分配公平性兩個(gè)參數(shù)予以描述。

2 常見擁塞算法分析

隊(duì)列管理是實(shí)現(xiàn)擁塞控制的重要手段，其核心是在路由器展開動(dòng)態(tài)跟蹤網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸狀況對(duì)擁塞的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于即將發(fā)生擁塞的點(diǎn)以一定概率對(duì)即將達(dá)到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，從而確保該點(diǎn)的負(fù)荷保持合理。具體而言，路由器的隊(duì)列管理需要兼顧三個(gè)層面的目標(biāo)。其中最根本的就是實(shí)現(xiàn)隊(duì)列管理本身，要求能夠維持合理的隊(duì)列長(zhǎng)度，從而降低排隊(duì)時(shí)延和抖動(dòng)的發(fā)生。其次，注意公平的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于鏈路環(huán)境中響應(yīng)流與非響應(yīng)流、TCP友好流、脆弱流等多方面需求實(shí)現(xiàn)平衡，促進(jìn)鏈路帶寬實(shí)現(xiàn)合理利用。最后，隊(duì)列管理還要求能夠有效實(shí)現(xiàn)與TCP擁塞控制策略配合，實(shí)現(xiàn)擁塞控制整體效用的最大化。

在隊(duì)列管理領(lǐng)域中，可以分為主動(dòng)隊(duì)列管理（AQM，Active Queue Management）和被動(dòng)隊(duì)列管理（PQM，Passive Queue Management）兩種思路。其中PQM相對(duì)而言比較傳統(tǒng)，即為每個(gè)隊(duì)列設(shè)定一個(gè)限值，超過部分會(huì)被直接丟棄，形成“去尾”算法。這種算法本身存在諸多缺陷，不能避免隊(duì)列被少數(shù)幾個(gè)非相應(yīng)流占據(jù)，或者多數(shù)據(jù)流共存于隊(duì)列中并且造成惡意競(jìng)爭(zhēng)等情況，都會(huì)因?yàn)榇朔N算法的引入而產(chǎn)生。除此以外，全局同步也是不容忽視的重要弊端。針對(duì)PQM的諸多弊端，AQM做出了必要調(diào)整，其在隊(duì)列緩存空間被占滿之前提前做出判斷，來確定數(shù)據(jù)包的丟棄，能夠有效避免端對(duì)端的時(shí)延發(fā)生，全局同步問題也得到改善。在目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，AQM算法相對(duì)而言有著更強(qiáng)的生命力，相關(guān)算法的研究也層出不窮，成為控制擁塞的重要手段。具體而言，有如下幾種算法在目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中均較為常見：

（1）RED算法

此種算法的實(shí)現(xiàn)思路，是對(duì)每個(gè)端口上的隊(duì)列長(zhǎng)度進(jìn)行探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于擁塞情況的判斷，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度超過預(yù)先設(shè)定值的時(shí)候，數(shù)據(jù)包會(huì)被按照一定概率丟棄，確保源端在隊(duì)列溢出之前就可以對(duì)發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)控制，從而緩解擁塞問題。具體而言，RED算法包括兩個(gè)任務(wù)，其一在于實(shí)現(xiàn)對(duì)于分組平均隊(duì)列長(zhǎng)度的計(jì)算，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞的預(yù)測(cè)；其二則是確定數(shù)據(jù)包丟棄概率值，對(duì)擁塞實(shí)現(xiàn)控制。

在平均隊(duì)列長(zhǎng)度的計(jì)算方面，考慮到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)發(fā)送具有一定的隨機(jī)性特征，因此可能會(huì)發(fā)生隊(duì)列在極短時(shí)間內(nèi)即會(huì)超出限值，當(dāng)然也存在在極短時(shí)間內(nèi)隊(duì)列清空的狀況，但是此類狀況都不足以判定為擁塞[3]。因此RED算法在計(jì)算平均隊(duì)列長(zhǎng)度的時(shí)候，會(huì)增加低通濾波器加權(quán)值來對(duì)其長(zhǎng)度進(jìn)行確定。如果用avg_q來代表平均隊(duì)列長(zhǎng)度，則有如式（1）。

式（1）中，w表示權(quán)重常數(shù)，采樣測(cè)量時(shí)的隊(duì)列長(zhǎng)度為 q。此種算法不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的突發(fā)而對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，是一種對(duì)于短期隊(duì)列長(zhǎng)度變化的“平滑”算法。這種著眼于長(zhǎng)期擁塞狀況的算法，使得RED可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境整體吞吐量的提升，減小時(shí)延以及時(shí)延抖動(dòng)問題。

在數(shù)據(jù)包的丟棄率方面，路由器會(huì)依據(jù)平均隊(duì)列長(zhǎng)度進(jìn)行判斷并且實(shí)現(xiàn)最終確定。RED算法體系為隊(duì)列長(zhǎng)度設(shè)定兩個(gè)限制，即min_th以及max_th，當(dāng)有新的分組送達(dá)隊(duì)列端口的時(shí)候，首先計(jì)算出平均隊(duì)列長(zhǎng)度，當(dāng)avg_qmax_th時(shí)，分組將會(huì)被丟棄，當(dāng) min_th

在式（2）中，有：

如此建立起來的 RED算法體系有效避免了去尾算法的弊端，從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的角度提升其吞吐量，并且對(duì)于端對(duì)端的時(shí)延展開了有效控制，具有良好的應(yīng)對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)流處理能力。但是此種算法無視網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中不同數(shù)據(jù)流之間的差異，對(duì)于響應(yīng)流以及非響應(yīng)流等保持無差別態(tài)度，因此并不能做到完全公平。除此以外，RED算法的參數(shù)控制成為其能否有效實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及丟包率的確定。正因?yàn)槿绱?，在?dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下，RED算法會(huì)表現(xiàn)的不夠穩(wěn)定。

（2）RIO算法

在RED算法體系之下，將諸多數(shù)據(jù)流一視同仁的做法成為其一個(gè)關(guān)鍵弊端，針對(duì)此種問題，RIO算法提出了具有區(qū)分服務(wù)功能的算法，可以作為RED算法的改進(jìn)予以對(duì)待。從本質(zhì)上看，RIO算法是帶有In/Put位的RED算法改進(jìn)，它依據(jù)到達(dá)路由器的分組速率以及其預(yù)約速率的對(duì)比結(jié)果展開進(jìn)一步的決策，由于不需要維護(hù)路由上每個(gè)流的狀態(tài)，因此并不會(huì)為路由器帶來額外負(fù)擔(dān)。當(dāng)分組到達(dá)速率大于預(yù)約速率，則將該數(shù)據(jù)包記為Out包，反正則記為In包，在發(fā)生擁塞的時(shí)候，對(duì)Out包采取比In包更高的丟棄率，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于In包的保護(hù)。

RIO算法引入兩組參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于 In包以及Out包的區(qū)分對(duì)待，即（min_in，max_in，p_max_in），以及（min_out，max_out，p_max_out）。其計(jì)算邏輯為，當(dāng) In分組到達(dá)路由的時(shí)候，首先計(jì)算出 In分組的平均隊(duì)列長(zhǎng)度avg_in，如果有avg_inmax_in，則該數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄，如果有 min_inmax_out，則丟棄分組，如果有 min_out

RIO算法能夠很好地支持區(qū)分服務(wù)這一功能，并且減輕了路由器維護(hù)信息流的負(fù)擔(dān)，同時(shí)對(duì)于全局同步問題也能實(shí)現(xiàn)良好避免。但是相對(duì)于RED算法而言，RIO中的參數(shù)較多，QoS不可避免地會(huì)受到一定的影響[4]。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，單一的RIO參數(shù)必然無法滿足所有網(wǎng)絡(luò)微觀環(huán)境，因此會(huì)增加對(duì)應(yīng)的運(yùn)算開銷。

（3）CHOKe算法

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，路由器采用 best-effort的方式提供服務(wù)，就必然會(huì)對(duì)包括UDP等在內(nèi)的非響應(yīng)流有所忽視，這些流本身并沒有端對(duì)端的擁塞避免機(jī)制，因此提出CHOKe算法，這從根本上看是對(duì)于RED算法在無狀態(tài)主動(dòng)隊(duì)列管理方面的改進(jìn)。

CHOKe算法的目標(biāo)在于通過對(duì)擁塞鏈路中惡意流展開控制，而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)公平性的提升。當(dāng)某分組到達(dá)路由端口的時(shí)候，CHOKe會(huì)將該數(shù)據(jù)包與FIFO緩沖隊(duì)列中的其他分組進(jìn)行隨機(jī)的抽樣對(duì)比，如果二者屬于同類數(shù)據(jù)流，則兩個(gè)分組都會(huì)被丟棄；如果它們屬于不同數(shù)據(jù)流，則剛到達(dá)的分組會(huì)按照RED算法展開進(jìn)一步的處理。此種做法對(duì)于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的海量惡意數(shù)據(jù)攻擊十分有效[5-6]。實(shí)際工作中，有時(shí)候?yàn)榱诉M(jìn)一步提升算法的公平性，會(huì)考慮將抽樣對(duì)比的過程延長(zhǎng)，即對(duì)新到達(dá)的數(shù)據(jù)包展開多次對(duì)比，不會(huì)因此某一次的偶然事件就將某個(gè)分組丟棄，也不會(huì)因?yàn)槟炒挝茨軝z出就對(duì)其放行。多次對(duì)比雖然在時(shí)間上略有讓步，但是對(duì)于擁塞水平和安全水平的提升都有正面價(jià)值，并且可以提升CHOKe算法的公平性，對(duì)于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也有積極意義。

CHOKe算法的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，屬于一種無狀態(tài)算法，并沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在參數(shù)方面也與RED保持一致，并且不需要記錄每個(gè)流的相關(guān)信息，因此其網(wǎng)絡(luò)開銷很小，整體效率表現(xiàn)良好[7]。然而雖然 CHOKe算法能夠在一定程度上提升公平屬性，卻無法保證絕對(duì)公平，其非公平特征主要是考慮到對(duì)非適應(yīng)流的懲罰力度不夠，精確程度比較有限[8]。

3 結(jié)論

擁塞算法對(duì)于保持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境服務(wù)水平而言意義重大，成為當(dāng)前該領(lǐng)域?qū)W者共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)算能力的不斷提升，相關(guān)算法也層出不窮，在算法效率不斷攀升的同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)提供更穩(wěn)定的支持[9-10]。未來的發(fā)展方向，仍然是在堅(jiān)持主動(dòng)隊(duì)列管理態(tài)度的基礎(chǔ)之上，不斷提出新的算法，其中諸如ECHOKe等，都成為未來發(fā)展的重要代表，為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供著有力的運(yùn)行保證。

[1] 章淼, 吳建平. 互聯(lián)網(wǎng)端到端擁塞控制研究綜述[J]. 軟件學(xué)報(bào), 2002, 13(3): 354-363.

[2] 曲延光, 劉云超. Internet 主動(dòng)隊(duì)列管理算法研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2003, 23(10): 36-38.

[3] 王會(huì)靈, 桂志波. TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制綜述[J]. 廣東通信技術(shù), 2005, 25(9): 17-20.

[4] 楊威. 可信網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制策略研究[D]. 南京郵電大學(xué). 2011.

[5] Bernet Y, Blake S, Grossman D. An informal management model for diffserv routers[EB/OL], 2000-07.

[6] 互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制算法若干問題研究[D]. 錢艷平. 東南大學(xué)2006.

[7] Behavior analysis of TCP Linux variants[J]. C. Callegari,S.Giordano, M. Pagano,T. Pepe. Computer Networks. 2011(1).

[8] 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的研究[D]. 呂娜.中國(guó)石油大學(xué) 2008.

[9] 陳金超, 謝東亮. 無線網(wǎng)絡(luò)TCP擁塞控制算法研究綜述[J].軟件, 2015, 36(1): 82-87.

[10] 劉妮, 王波. 組播擁塞控制的研究(英文)[J]. 軟件, 2013,34(2): 171-174.