第8章 传输层_拥塞控制

Posted 2020-09-30 浅墨浓香

6. 拥塞控制

6.1 拥塞控制的原理

 

（1）理想状态下：路由器R1和R2向R3提供负载不超过1000Mb/s，都能从R3发送到R4。当提供的负载超过1000Mb/s后，不能再提高了，多余的数据包将被丢弃。

（2）实际情况：网络系统的吞吐量与输入负载之间的关系不是线性的。随着提供的负载增大，网络的吞吐量增长速率逐渐减小。在网络未达到饱和时就有一部分输入分组被丢弃，当网络的吞吐量明显小于理想吞吐量就开始出现轻度拥塞现象。当负载达到某一数值时，网络的网络的吞吐量反而随提供负载的增大而下降，这时网络进入拥塞状态。直至网络吞吐量下降到零，就产生所谓的死锁。

6.2 拥塞控制方法：慢开始和拥塞避免

（1）慢开始（Slow-start）

 

　　①A和B建立TCP连接，协商参数（最大报文MSS=100字节，接收窗口rwnd=3000），假设假设B发送的每个分组100字节。为了避免网络拥堵时出现大量丢包，TCP会先感知一下网络状态，再调整发送速度。如果发送一个分组，不丢包，就可以进一步提高发送速度，这就是慢开始。等丢包以后就可以断定出现堵塞（现代通信质量很高，出错而造成重传的概念很小（远小于1%）），再放慢增速，这就是慢开始。

　　②刚开始发送方将拥塞窗口(cwnd)初始为100字节（由MSS有关），先发送一个分组M1，接收方收到后确认M1，然后发送收到对M1的确认。

　　③发送方每收到一个新报文段的确认（重传的不算）就调整发送方的cwnd为原来的2倍。于是将cwnd从100增到200，便开始发送M2和M3两个分组。同样得到了接收方的确认。

　　④发送方继续将cwnd从200提高到400，并发送M4～M7共4个分组。因此慢开始算法就是每经过一轮次，拥塞窗口cwnd就加倍。

（2）拥塞避免（Congestion Avoidance）

 

　　①当TCP连接初始化时，把拥塞窗口cwnd=100字节（即MSS的值），慢开始门限ssthresh初始值为1600。当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法。即发送方每收到一个对新报文段的确认ACK，就把拥塞窗口值加倍（指数规律增长），来增大发送分组的速率。

　　②当cwnd增加到超过ssthresh时。就改为拥塞避免算法。即拥塞窗口按线性规律增大，每经过一个轮次增加一个MSS(100)的大小，来降低发送速率。

　　③但拥塞窗口增加到2400时，网络出现拥塞。就将sstresh值变1200（即发生拥塞时cwnd的1/2）。然后cwnd重新设置为100，并执行慢开始算法。

　　④慢开始算法的拥塞避免存在一个问题：网络一旦出现丢包（不一定是拥塞引起的），就会马上将ssthresh降低一半，同时cwnd减小为1个MSS，并重新执行慢开始算法。这代价很大，现在一般普遍使用的是快重传和快恢复算法。

6.3 拥塞控制方法：快重传和快恢复

（1）快重传（Fast Restransmit）

 

　　①快重传算法要求接收方每收到一个失序的分组后，发送方都能及早地发现。于是就要求接收方立即重复确认（如图中M3丢弃后，会连续发送3个重复确认包M2），而不要等发送方对M3超时重传时才发现丢包。

　　②由于接收方收到了M1、M2并进行了确认，但不能确认M4，因为M4是收到的失序失组。于是根据快重传的规定，这时接收方会连续发出3个对M2的重复确认，以告诉发送方M3到达，要求重传。发送方接收到三个连续的对M2的重复确认，就会立即重传M3而不必等到M3的重传计时器到期。（该算法会使整个网络的吞吐量增加约20%，加大了网络的负担）。

（2）快恢复（Fast Recovery）

 

　　①当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法。即把慢开始门限减半（为1200）。但请注意，接下来不执行慢开始算法，而是执行快恢复算法。

　　②发送方认为现在网络很可能没有发生拥塞，可能只是网络一些小故障。（因为如果网络发生了严重拥塞，就不会一连有好几个报文段连续到达接收方，就不会连续发送重复确认）。因此，与慢开始不同，现在它不执行慢开始算法而是执行快恢复，即cwnd不设为MSS，而是让cwnd=ssthresh=1200（即为2400的一半），然后加法线性增大。

6.4 发送窗口的上限

（1）发送方的发送窗口受拥塞控制(cwnd)和接收方的接收窗口(rwnd)大小的影响。从接收方对发送方的流量控制的角度考虑，发送方的发送窗口一定不能超过对方给出的接收窗口值。

（2）发送方窗口的上限值=min(rwnd, cwnd)。