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1 5.8 TCP 的拥塞控制 拥塞控制的一般原理 在某段时间, 若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分, 网络的性能就要变坏 产生拥塞 (congestion) 出现资源拥塞的条件 : (5-7) 对资源需求的总和 > 可用资源 若网络中有许多资源同时产生拥塞, 网络的性能就要明显变坏, 整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降

2 拥塞控制与流量控制的关系 拥塞控制所要做的都有一个前提, 就是网络能够承受现有的网络负荷 拥塞控制是一个全局性的过程, 涉及到所有的主机 所有的路由器, 以及与降低网络传输性能有关的所有因素 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率, 以便使接收端来得及接收

3 拥塞控制所起的作用 吞吐量 理想的拥塞控制实际的拥塞控制无拥塞控制死锁 ( 吞吐量 = ) 轻度拥塞 拥塞 提供的负载

4 拥塞控制的一般原理 拥塞控制是很难设计的, 因为它是一个动态的 ( 而不是静态的 ) 问题 当前网络正朝着高速化的方向发展, 这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失 但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因 在许多情况下, 甚至正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因 这点应特别引起重视

5 开环控制和闭环控制 开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到, 力求网络在工作时不产生拥塞 闭环控制是基于反馈环路的概念 属于闭环控制的有以下几种措施 : 监测网络系统以便检测到拥塞在何时 何处发生 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方 调整网络系统的运行以解决出现的问题

6 5.8.2 几种拥塞控制方法 1. 和 发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd (congestion window) 的状态变量 拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度, 并且动态地在变化 发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口 如再考虑到接收方的接收能力, 则发送窗口还可能小于拥塞窗口 发送方控制拥塞窗口的原则是 : 只要网络没有出现拥塞, 拥塞窗口就再增大一些, 以便把更多的分组发送出去 但只要网络出现拥塞, 拥塞窗口就减小一些, 以减少注入到网络中的分组数

7 算法的原理 在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口 cwnd = 1, 即设置为一个最大报文段 MSS 的数值 在每收到一个对新的报文段的确认后, 将拥塞窗口加 1, 即增加一个 MSS 的数值 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd, 可以使分组注入到网络的速率更加合理

8 cwnd = 1 发送方每收到一个对新报文段的确认 ( 重传的不算在内 ) 就使 cwnd 加 1 发送方 发送 M 1 接收方 确认 M 1 轮次 1 cwnd = 2 发送 M 2 ~M 3 确认 M 2 ~M 3 轮次 2 cwnd = 4 发送 M 4 ~M 7 确认 M 4 ~M 7 轮次 3 cwnd = 8 发送 M 8 ~M 15 t t

9 传输轮次 (transmission round) 使用算法后, 每经过一个传输轮次, 拥塞窗口 cwnd 就加倍 一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT 传输轮次 更加强调 : 把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的报文段都连续发送出去, 并收到了对已发送的最后一个字节的确认 例如, 拥塞窗口 cwnd = 4, 这时的往返时间 RTT 就是发送方连续发送 4 个报文段, 并收到这 4 个报文段的确认, 总共经历的时间

10 设置门限状态变量 ssthresh 门限 ssthresh 的用法如下 : 当 cwnd < ssthresh 时, 使用算法 当 cwnd > ssthresh 时, 停止使用算法而改用算法 当 cwnd = ssthresh 时, 既可使用算法, 也可使用算法 算法的思路 : 让拥塞窗口 cwnd 缓慢地增大, 即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1, 而不是加倍, 使拥塞窗口 cwnd 按线性规律缓慢增长

11 当网络出现拥塞时 无论在阶段还是在阶段, 只要发送方判断网络出现拥塞 ( 其根据就是没有按时收到确认 ), 就要把门限 ssthresh 设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半 ( 但不能小于 2 ) 然后把拥塞窗口 cwnd 重新设置为 1, 执行算法 这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数, 使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕

12 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 和算法的实现举例 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 当 TCP 连接进行初始化时, 将拥塞窗口置为 1 图中的窗口单位不使用字节而使用报文段 门限的初始值设置为 16 个报文段, 即 ssthresh = 16 注 : 门限的初始值一般根据经验设置

13 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 拥塞窗口 cwnd 和算法的实现举例 指数规律增长 网络拥塞 乘法减小 传输轮次 发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值 我们假定接收端窗口足够大, 因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值

14 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 在执行算法时, 拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1, 发送第一个报文段 M

15 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 发送端每收到一个确认, 就把 cwnd 加 1 于是发送端可以接着发送 M 1 和 M 2 两个报文段

16 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 接收端共发回两个确认 发送端每收到一个对新报文段的确认, 就把发送端的 cwnd 加 1 现在 cwnd 从 2 增大到 4, 并可接着发送后面的 4 个报文段

17 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 发送端每收到一个对新报文段的确认, 就把发送端的拥塞窗口加 1, 因此拥塞窗口 cwnd 随着传输轮次按指数规律增长

18 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 当拥塞窗口 cwnd 增长到门限值 ssthresh 时 ( 即当 cwnd = 16 时 ), 就改为执行算法, 拥塞窗口按线性规律增长, 每经过一个往返时延就增加一个 MSS 的大小

19 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 假定拥塞窗口的数值增长到 24 时, 网络出现超时, 表明网络拥塞了

20 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 更新后的 ssthresh 值变为 12 ( 即发送窗口数值 24 的一半 ), 拥塞窗口再重新设置为 1, 并执行算法

21 和算法的实现举例 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 12 网络拥塞 乘法减小 8 4 指数规律增长 传输轮次 当 cwnd = 12 时改为执行算法, 拥塞窗口按按线性规律增长, 每经过一个往返时延就增加一个 MSS 的大小

22 乘法减小 (multiplicative decrease) 乘法减小 是指不论在阶段还是阶段, 只要出现一次超时 ( 即出现一次网络拥塞 ), 就把门限值 ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以.5 当网络频繁出现拥塞时, ssthresh 值就下降得很快, 以大大减少注入到网络中的分组数

23 加法增大 (additive increase) 是指执行算法后, 在收到对所有报文段的确认后 ( 即经过一个往返时间 ), 就把拥塞窗口 cwnd 增加一个 MSS 大小, 使拥塞窗口缓慢增大, 以防止网络过早出现拥塞

24 必须强调指出 并非指完全能够避免了拥塞 利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的 是说在阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长, 使网络比较不容易出现拥塞

25 2. 快重传和快恢复 快重传算法要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认 这样做可以让发送方及早知道有报文段没有到达接收方 发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段 快重传并非取消重传计时器, 而是在某些情况下可更早地重传丢失的报文段

26 快重传举例 发送方 接收方 发送 M 1 发送 M 2 确认 M 1 发送 M 3 丢失? 发送 M 4 确认 M 2 收到三个连续的对 M 2 的重复确认 发送 M 5 发送 M 6 发送 M 7 重复确认 M 2 重复确认 M 2 重复确认 M 2 立即重传 M 3 立即重传 M 3 t t

27 快恢复算法 (1) 当发送端收到连续三个重复的确认时, 就执行 乘法减小 算法, 把门限 ssthresh 减半 但接下去不执行算法 (2) 由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞, 因此现在不执行算法, 即拥塞窗口 cwnd 现在不设置为 1, 而是设置为门限 ssthresh 减半后的值, 然后开始执行算法 (), 使拥塞窗口缓慢地线性增大 ( 具体见下页 )

28 快恢复算法的另一种实现 (1) 当发送端收到连续三个重复的 ACK 时, 就按照 乘法减小 重新设置门限 ssthresh (2) 与不同之处是拥塞窗口 cwnd 不是设置为 1, 而是设置为 ssthresh + 3 MSS 若收到重复的 ACK 为 n 个 ( n > 3 ), 则将 cwnd 设置为 ssthresh + n MSS (3) 若发送窗口值还容许发送报文段, 就按算法继续发送报文段

29 从连续收到三个重复的确认 转入 拥塞窗口 cwnd 24 2 ssthresh 的初始值 16 新的 ssthresh 值 乘法减小 快恢复 收到 3 个重复的确认执行快重传算法 TCP Reno 版本 TCP Tahoe 版本 ( 已废弃不用 ) 传输轮次

30 发送窗口的上限值 发送方的发送窗口的上限值应当取为接收方窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个, 即应按以下公式确定 : 发送窗口的上限值 Min [rwnd, cwnd] (5-8) 当 rwnd < cwnd 时, 是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值 当 cwnd < rwnd 时, 则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值

31 5.8.3 随机早期检测 RED (Random Early Detection) 网络层的策略对 TCP 拥塞控制影响最大的是路由器的分组丢弃策略 路由器的尾部丢弃往往会导致一连串分组的丢失, 这就使发送方出现超时重传, 使 TCP 进入到拥塞控制的状态, 结果使 TCP 连接的发送方突然把发送速率降低到很小的数值 更严重的是, 网络中有很多的 TCP 连接, 而连接中的报文段是复用在网络层中的 IP 数据包中传送 在此情况下, 若发生路由器的尾部分组丢弃, 会影响到很多 TCP 连接, 结果就使这许多的 TCP 连接在同一时间突然进入到状态, 称为全局同步 全局同步使得全网的通信量突然下降很多, 而在网络恢复后, 其通信量有突然增大很多 解决办法 : 随机早期检测

32 5.8.3 随机早期检测 RED (Random Early Detection) 使路由器的队列维持两个参数, 即队列长度最小门限 TH min 和 最大门限 TH max RED 对每一个到达的数据报都先计算平均队列长度 L AV 若平均队列长度小于最小门限 TH min, 则将新到达的数据报放入队列进行排队 若平均队列长度超过最大门限 TH max, 则将新到达的数据报丢弃 若平均队列长度在最小门限 TH min 和最大门限 TH max 之间, 则按照某一概率 p 将新到达的数据报丢弃

33 RED 将路由器的到达队列划分成为三个区域 丢弃 以概率 p 丢弃 排队 分组到达 从队首发送 平均队列长度 L av 最小门限 TH min 最大门限 TH min 经验表明, 最大门限 THmin 是最小门限 THmin 的 2 倍是比较合适的

34 丢弃概率 p 与 TH min 和 Th max 的关系 1. 当 L AV Th min 时, 丢弃概率 p = 当 L AV Th max 时, 丢弃概率 p = 1 当 TH min L AV TH max 时, p 1 例如, 按线性规律变化, 从 变到 p max 分组丢弃概率 p p max 平均队列长度 L av 最小门限 TH min 最大门限 TH max

35 瞬时队列长度和平均队列长度的区别 队列长度 瞬时队列长度 平均队列长度 时间

拥塞控制与流量控制的关系 拥塞控制所要做的都有一个前提, 就是网络能够承受现有的网络负荷 拥塞控制是一个全局性的过程, 涉及到所有的主机 所有的路由器, 以及与降低网络传输性能有关的所有因素 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率,

拥塞控制与流量控制的关系 拥塞控制所要做的都有一个前提, 就是网络能够承受现有的网络负荷 拥塞控制是一个全局性的过程, 涉及到所有的主机 所有的路由器, 以及与降低网络传输性能有关的所有因素 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率, 5.8 TCP 的拥塞控制 5.8.1 拥塞控制的一般原理 在某段时间, 若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分, 网络的性能就要变坏 产生拥塞 (congestion) 出现资源拥塞的条件 : 对资源需求的总和 > 可用资源 (5-7) 若网络中有许多资源同时产生拥塞, 网络的性能就要明显变坏, 整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降 1 拥塞控制与流量控制的关系 拥塞控制所要做的都有一个前提,

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