計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

第16講謝鈞教授

網(wǎng)絡(luò)工程教研中心第5章運(yùn)輸層25.4擁塞控制

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)太多的分組時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能開(kāi)始下降。這種情況稱為擁塞(congestion)。如果網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載(load)，即發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量，超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)的容量，即網(wǎng)絡(luò)中能處理的數(shù)據(jù)量，那么在網(wǎng)絡(luò)中就可能發(fā)生擁塞。所謂擁塞控制(congestioncontrol)就是防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的路由器或鏈路不致過(guò)載。第5章運(yùn)輸層35.4.1網(wǎng)絡(luò)擁塞的危害理想吞吐量為100M不加任何控制吞吐量只能達(dá)到60M當(dāng)分組丟失時(shí),任何用于傳輸該分組的上游傳輸能力都被浪費(fèi)!10M100M100M100M100MADBC

對(duì)于可靠數(shù)據(jù)傳輸，這些丟失的分組還要再次被重傳，情況會(huì)進(jìn)一步惡化！第5章運(yùn)輸層45.4.1網(wǎng)絡(luò)擁塞的危害情況更糟：不加任何控制吞吐量只能達(dá)到約11M10M100M100M10000M100MADBC

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)發(fā)送方降低發(fā)送速率！第5章運(yùn)輸層5擁塞控制所起的作用提供的負(fù)載吞吐量理想的擁塞控制實(shí)際的擁塞控制0死鎖（吞吐量=0）無(wú)擁塞控制擁塞輕度擁塞第5章運(yùn)輸層6擁塞控制與流量控制的關(guān)系擁塞控制是一個(gè)全局性的過(guò)程，涉及到所有的主機(jī)、所有的路由器，以及與降低網(wǎng)絡(luò)傳輸性能有關(guān)的所有因素。流量控制往往指在給定的發(fā)送端和接收端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來(lái)得及接收。第5章運(yùn)輸層75.4.2擁塞控制方法端到端的擁塞控制:不能從網(wǎng)絡(luò)得到明確的反饋從端系統(tǒng)根據(jù)觀察到的時(shí)延和丟包現(xiàn)象推斷出擁塞這是TCP所采用的方法網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制:路由器為端系統(tǒng)提供反饋一個(gè)bit指示一條鏈路出現(xiàn)擁塞(例如ATM的擁塞控制機(jī)制)第5章運(yùn)輸層8網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制方法網(wǎng)絡(luò)指示擁塞信息的兩條反饋路徑經(jīng)由接收方的網(wǎng)絡(luò)反饋直接網(wǎng)絡(luò)反饋主機(jī)A主機(jī)B第5章運(yùn)輸層95.4.3TCP的擁塞控制機(jī)制

1.擁塞窗口發(fā)送方維持一個(gè)叫做擁塞窗口cwnd(congestionwindow)的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地在變化。發(fā)送窗口不能大于擁塞窗口。發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。第5章運(yùn)輸層102.慢啟動(dòng)剛建立連接準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不知道網(wǎng)絡(luò)可用帶寬情況，先慢慢發(fā)送，再逐步提高發(fā)送速率，試探網(wǎng)絡(luò)可用帶寬在主機(jī)剛剛開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)可先設(shè)置擁塞窗口cwnd=1（一個(gè)最大報(bào)文段MSS的數(shù)值）。在每收到一個(gè)對(duì)新的報(bào)文段的確認(rèn)后，將擁塞窗口加1，即增加一個(gè)MSS的數(shù)值。用這樣的方法逐步增大發(fā)送端的擁塞窗口cwnd，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1cwnd=1…tt發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1發(fā)送M2~M3

確認(rèn)M2~M3cwnd=1cwnd=2…tt發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1發(fā)送M2~M3

確認(rèn)M2~M3發(fā)送M4~M7

確認(rèn)M4~M7cwnd=1cwnd=2cwnd=4…tt發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1發(fā)送M2~M3

確認(rèn)M2~M3發(fā)送M4~M7

確認(rèn)M4~M7cwnd=1cwnd=2cwnd=4發(fā)送M8~M15cwnd=8…tt發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1發(fā)送M2~M3

確認(rèn)M2~M3發(fā)送M4~M7

確認(rèn)M4~M7cwnd=1cwnd=2cwnd=4發(fā)送M8~M15cwnd=8…tt發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。輪次1輪次2輪次3第5章運(yùn)輸層16傳輸輪次(transmissionround)例如，擁塞窗口cwnd=4，這時(shí)一個(gè)傳輸輪次的時(shí)間就是發(fā)送方連續(xù)發(fā)送4個(gè)報(bào)文段，并收到這4個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)，總共經(jīng)歷的時(shí)間。在運(yùn)輸層，往返時(shí)間往往遠(yuǎn)大于報(bào)文段的發(fā)送時(shí)延，因此一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間大約是一個(gè)往返時(shí)間RTT。使用慢啟動(dòng)算法后，每經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸輪次，擁塞窗口cwnd就加倍。注意：雖然初始擁塞窗口很小，但隨時(shí)間以指數(shù)方式增長(zhǎng)。第5章運(yùn)輸層17當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)隨著擁塞窗口cwnd增大，發(fā)送方的發(fā)送速率會(huì)超過(guò)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，導(dǎo)致分組丟失（超時(shí)），即出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。為是網(wǎng)絡(luò)迅速?gòu)膿砣麪顟B(tài)恢復(fù)到正常，發(fā)送方把擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為1，又執(zhí)行慢啟動(dòng)算法。這樣做的目的就是要迅速減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生擁塞的路由器有足夠時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。第5章運(yùn)輸層183.擁塞避免由于慢啟動(dòng)窗口增長(zhǎng)很快，為避免很快又導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，在接近上次發(fā)生擁塞的地方就放慢窗口的增長(zhǎng)速度，進(jìn)入擁塞避免階段當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)，將當(dāng)時(shí)的擁塞窗口的一半（但不能小于2）設(shè)置為從慢啟動(dòng)到擁塞避免的門(mén)限：ssthresh當(dāng)cwnd<ssthresh時(shí)，使用慢啟動(dòng)算法。當(dāng)cwnd>ssthresh時(shí)，停止使用慢啟動(dòng)算法而改用擁塞避免算法，即使擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長(zhǎng)，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。第5章運(yùn)輸層19當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)無(wú)論在慢啟動(dòng)階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞（其根據(jù)就是沒(méi)有按時(shí)收到確認(rèn)），就要把慢啟動(dòng)門(mén)限ssthresh設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時(shí)的發(fā)送方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為1，執(zhí)行慢啟動(dòng)算法。2216慢啟動(dòng)和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例當(dāng)TCP連接進(jìn)行初始化時(shí)，將擁塞窗口置為1。假設(shè)慢啟動(dòng)門(mén)限的初始值設(shè)置為16個(gè)報(bào)文段，即ssthresh=16?！俺朔p小”24681012141618200048122024擁塞窗口cwnd新的ssthresh值網(wǎng)絡(luò)擁塞指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)ssthresh的初始值慢啟動(dòng)慢啟動(dòng)慢啟動(dòng)擁塞避免“加法增大”擁塞避免“加法增大”傳輸輪次慢啟動(dòng)和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例發(fā)送端的發(fā)送窗口不能超過(guò)擁塞窗口cwnd和接收端窗口rwnd中的最小值。我們假定接收端窗口足夠大，因此現(xiàn)在發(fā)送窗口的數(shù)值等于擁塞窗口的數(shù)值。2216“乘法減小”24681012141618200048122024擁塞窗口cwnd新的ssthresh值網(wǎng)絡(luò)擁塞指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)ssthresh的初始值慢啟動(dòng)慢啟動(dòng)慢啟動(dòng)擁塞避免“加法增大”擁塞避免“加法增大”傳輸輪次第5章運(yùn)輸層22發(fā)送窗口的上限值發(fā)送方的發(fā)送窗口的上限值應(yīng)當(dāng)取為接收方窗口rwnd和擁塞窗口cwnd這兩個(gè)變量中較小的一個(gè)，即應(yīng)按以下公式確定：發(fā)送窗口的上限值

Min[rwnd,cwnd](5-8)當(dāng)rwnd<cwnd時(shí)，是接收方的接收能力限制發(fā)送窗口的最大值。當(dāng)cwnd<rwnd時(shí)，則是網(wǎng)絡(luò)的擁塞限制發(fā)送窗口的最大值。

第5章運(yùn)輸層23通過(guò)冗余ACK發(fā)現(xiàn)分組丟失發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1t

確認(rèn)M2發(fā)送M2發(fā)送M3發(fā)送M4

？發(fā)送M5發(fā)送M6t發(fā)送M7丟失?第5章運(yùn)輸層24通過(guò)冗余ACK發(fā)現(xiàn)分組丟失發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1t

確認(rèn)M2發(fā)送M2發(fā)送M3發(fā)送M4

？發(fā)送M5發(fā)送M6

重復(fù)確認(rèn)M2立即重傳M3

重復(fù)確認(rèn)M2

重復(fù)確認(rèn)M2t發(fā)送M7收到三個(gè)連續(xù)的對(duì)M2

的重復(fù)確認(rèn)立即重傳M3丟失第5章運(yùn)輸層254.快重傳和快恢復(fù)第5章運(yùn)輸層25發(fā)送方只要一連收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)就認(rèn)為有報(bào)文段丟失，應(yīng)當(dāng)立即重傳該報(bào)文段?？熘貍鞑⒎侨∠貍饔?jì)時(shí)器，而是在某些情況下可更早地重傳丟失的報(bào)文段。發(fā)現(xiàn)分組丟失，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)擁塞，應(yīng)采取行動(dòng)

3個(gè)冗余ACK指示網(wǎng)絡(luò)還具有某些傳送報(bào)文段的能力

而超時(shí)事件通常表示一系列報(bào)文被阻塞,情況更為“嚴(yán)重”基本思想:第5章運(yùn)輸層26快恢復(fù)算法(1)當(dāng)發(fā)送端收到連續(xù)三個(gè)重復(fù)的確認(rèn)時(shí)，就執(zhí)行“乘法減小”算法，把慢啟動(dòng)門(mén)限ssthresh減半。(但不執(zhí)行慢啟動(dòng)算法)。(2)發(fā)送方認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞不嚴(yán)重，因此不執(zhí)行慢啟動(dòng)算法，即擁塞窗口cwnd現(xiàn)在不設(shè)置為1，而是設(shè)置為慢啟動(dòng)門(mén)限ssthresh減半后的新數(shù)值，然后開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法（“加法增大”），使擁塞窗口緩慢地線性增大。第5章運(yùn)輸層26第5章運(yùn)輸層27連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)的確認(rèn)

轉(zhuǎn)入擁塞避免第5章運(yùn)輸層27242468101214161820220048121620傳輸輪次擁塞窗口cwnd慢啟動(dòng)“乘法減小”收到3個(gè)冗余ACKssthresh的初始