系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）

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拥塞控制原理

前面学习的可靠数据传输是网络Top10问题之一，这里的拥塞控制也位列Top10。

我们在现实中或多或少可能都经历过拥塞，比如小长假高速堵车，堵车之后这个路就像瘫痪一样，基本上没有什么通行能力了。网络当中也会出现这种情况。

拥塞(Congestion)：

• 非正式定义：太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，以至于网络无法处理。
• 拥塞的表现：
  • 分组丢失（路由器缓存溢出）
  • 分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

可靠数据传输 vs. 拥塞控制

可靠数据传输更多地考虑端-端的，个体的利益。而拥塞控制更多地是从群体利益角度来考虑。为了大家都能使用网络，这时候大家可能会做出一些牺牲。所以需要一种机制来控制网络负载。当然拥塞控制和可靠数据传输是有很大关系的，大家可以自己思考一下。

拥塞控制 vs. 流量控制

它们是不一样的，流量控制是发送方不要发送的太快太多以致于接收方处理不了。是站在接收方的角度去看的。而拥塞控制是针对接收方与发送方之间的网络的。

拥塞的成因以及产生拥塞的代价

假设这样一个理想的情况：

用C表示路由器出口的链路的带宽，用λin表示发送方发送数据的速率，用λout表示接收方接收数据的速率。这里假设路由器有无限的缓存，在这种情况下，不管发送方发送的数据有多大有多快，分组是不会丢失的，那么发送方也就不需要重传这个机制的。那在这种情况下，关于吞吐率和时延：

• λin不管多大，λout最大就是C/2。也就达到了最大的吞吐量。
• 而当λin接近C/2，时延快速增大。

可以看到，拥塞的第一个代价就是分组的延迟太大。

下面看第二个场景：路由器的链路带宽是R。路由器的缓存是有限的，既然是有限缓存，当数据过多过快的时候就必然会有丢失，那发送方就要重传。引入新符号λin’ ，代表原始数据加上要重传的数据。在这种场景下：

• 情况a：Sender能够通过某种机制获知路由器buffer信息，这样就当路由器buffer有空闲的时候才发数据。这是分组不会丢，也就不会重传，λin=λin’，λin=λout。并且λin不可能大于R/2。

  

• 情况b：无法在发送之前提前或追路由器有没有空闲的buffer。这种情况下，确定分组丢失后才重发。λin‘>λin，λin’=λout。这意味着有效的吞吐率变低了。也就造成了网络资源的浪费。

  

• 情况 c：不仅在确定分组丢失之后重传，而且定时器超时后也重传，所以λin‘变得更大。那么有效吞吐率更低。

  

可以看到，拥塞的代价是需要重传，造成资源的浪费。

下面看第三个场景：使用多跳的网络。现在有四个发送方，四个接收方。这样一个路由器会转发来自两个主机的数据，这就可能会发生竞争。并且，在多跳网络中，当分组被drop时，任何用于该分组的“上游”传输能力全都被浪费掉。那么整个网络的吞吐率就变得更差了。

拥塞控制的方法

也就是控制发送方的发送速率。

• 端到端拥塞控制：是端系统来进行。网络层也就是路由器不需要显式的提供支持。端系统通过观察loss，delay等 网络行为判断是否发生拥塞。Internet网络中的TCP采取的就是这种方法。
• 网络辅助的拥塞控制：路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息，端系统利用这个信息调整自己数据的发送速率。典型的就是ATM网络。

ATM ABR拥塞控制

ATM提供一种叫做ABR的服务。ABR是一种网络辅助的拥塞控制。

ABR：available bit rate。提供弹性服务，如果发送方发现路径的负载比较低，就尽可能地使用可用的带宽，如果发现路径拥塞，就将发送速率降到最低保障速率。

为什么说ABR是一种网络辅助的拥塞控制，是因为在数据传输中（这里传输的是cell而非分组），穿插着RM(resource management 资源管理) cells。它由发送方发送，交换设备能够设置RM cell位（网络辅助体现在这里）：NI位代表速率不许再增长，CI位代表拥塞了。RM cell由接收方返回给发送方或者由交换设备直接向发送方发送。这样就能控制发送方的发送速率。

至于Internet网络中的TCP的拥塞控制机制，下一篇文章再具体介绍。