拥塞控制原理

概述

拥塞

• 非正式的定义：“太多的数据需要网络传输，超过了网络的处理能力”
• 与流量控制不同
• 拥塞的表现
  • 分组丢失（路由器缓冲区溢出）
  • 分组经历比较长时间的延迟（在路由器的队列中排队）
• 网络中前10位的问题

拥塞的原因/代价

场景一：缓冲无限大、无重传

• 2个发送端，2个接收端
• 一个路由器，具备无限大的缓冲
• 输出链路带宽：R
• 没有重传
• ${\lambda }_{in}$为输入的速率，${\lambda }_{out}$为输出的速率

• 每个连接的最大吞吐量：R / 2
• 当进入的速率${\lambda }_{in}$接近链路带宽R时，延迟增大

场景二：缓冲有限，有重传

• 一个路由器，有限的缓冲
• 分组丢失时，发送端重传
  • 应用层的输入 = 应用层的输出：${\lambda }_{in}={\lambda }_{out}$
  • 传输层的输入包括重传：${\lambda }_{in}^{{}^{\prime \prime }}\ge {\lambda }_{in}$

理想化：发送端有完美的信息
发送端知道什么时候路由器的缓冲是可用的

• 只在缓冲可用时发送
• 不会丢失${\lambda }_{in}^{{}^{\prime }}={\lambda }_{in}$

理想化：掌握丢失信息
分组可以丢失，在路由器由于缓冲器满而被丢弃

• 如果发送端知道分组丢失了，发送方重传

现实情况：重复

• 分组可能丢失，由于缓冲器满而被丢弃
• 发送端最终超时，发送第二个拷贝，2个分组都被传出

拥塞的“代价”

• 为了达到一个有效输出，网络需要更多的输入速率（重传）
• 没有必要的重传（加剧了网络的拥塞），链路中包括了多个分组的拷贝
  • 是那些没有丢失，经历的时间比较长（拥塞状态）但是超时的分组
  • 降低了的“goodput”

场景三：死锁

四个发送端：A→D，D→A，B→C，C→B（就是AD，BC相互连接）

• 当红色的增加时，所有到来的蓝色分组都在最上方的队列中丢弃了，蓝色吞吐->0
• 同理，绿色的也可能抢走红色的（在右边的路由器）
• 粉色的可能抢走绿色的（下边的路由器）
• 蓝色的抢走粉色的（左边的路由器）
• 总之，网络中有输入，但是没有输出

又一个拥塞的“代价”

• 当分组丢失时，任何“关于这个分组的上游传输能力” 都被浪费了

拥塞控制方法

2种常用的拥塞控制方法:

• 端到端拥塞控制
  • 没有来自网络的显式反馈
  • 端系统根据延迟和丢失事件推断是否有拥塞
  • （TCP采用的方法）
• 网络辅助的拥塞控制:
  • 路由器提供给端系统以反馈信息
  • 单个bit置位，显示有拥塞 (SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM)
  • 显式提供发送端可以采用的速率

ATM ABR拥塞控制

ATM网络

ATM：异步传输网络，是物联网掺杂的网络

• 数据传输单元(分组)是信元：53个字节，5个字节的头部，另外48个字节是数据部
• 分组很小（53个字节），而且是固定长度
• 所以在每个交换节点的存储转发时间很小而且可以控制
• 线路交换在数据交换节点的延迟是1bit的延迟，分组交换的延迟是1个分组的延迟
• 由于ATM的分组—信元大于1bit，但是远小于普通的一个分组，因此其延迟位于线路交换和分组交换之间
• 而且延迟时间固定(一位信元字节数固定)，而且容易调度
• 因此具有线路交换和分组交换的特性
• ATM本来认为是很有希望的网络形式
• 后来因为网络技术比较复杂并没有流行开来
• 但是在一些专用网络，比如银行网络使用的还是比较多的

ATM有很多模式，ABR是其中一个

ABR模式

ABR: available bit rate:

• 弹性服务：
  • 如果网络轻载(不发送拥塞)，可以尽可能使用网络带宽
  • 如果网络拥塞了 ，发送方限制其发送的速度到一个 最小保障速率 上

在ATM网络中有两种信元：数据信元(data cell)和资源信元(RM cell)
RM (资源管理) 信元:

• 由发送端发送,在数据信元中间隔插入
• RM信元中的比特被交换机设置 (网络辅助)
  • NI bit: no increase in rate (轻微拥塞)速率不要增加了
  • CI bit: congestion indication 拥塞指示（表明已经拥塞了）
• 发送端发送的RM 信元被接收端返回, 接收端不做任何改变

• 数据信元中的EFCI bit: 被拥塞的交换机设置成1

  • 如果在管理信元RM前面的数据信元EFCI被设置成了1, 接收端在 返回的RM信元中设置CI bit
  • 在RM信元中的2个字节 ER (explicit rate)字段 多大带宽

• 拥塞的交换机可能会降低信元中ER的值（但是不会提高）

  • 发送端接受到的RM的ER字段表示路由器可以支持的最低的速率
  • 发送端发送速度因此是最低的可支持速率