网络拥塞控制和流量控制.doc

浅析Internet中的拥塞控制和流量控制前言计算机网络在当今社会生活中起到越来越重要的作用，其规模也成爆炸式的增长，应用也越来越广，但是随着人们对网络的要求越来越高，网络拥塞和数据冲突问题已经引起人们的密切关注。拥塞控制和流量控制技术针对网路中的拥塞和数据冲突而成为网络领域的核心技术。网络拥塞和流量控制的原理1.网络拥塞的含义网络拥塞指的是在分组交换网络中传送分组的数目太多时，由于存储转发节点的资源有限而造成网络传输性能的下降情况。网络发生拥塞时，一般会出现数据丢失，时延加大，吞吐量下降，严重时甚至会导致“拥塞崩溃”的现象。拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这些资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点处理能力，由于互联网是基于TCP/IP协议的网络，而TCP/IP协议提供的是一种“尽力而为”的传输服务，互联网的这种机制导致其缺乏“接纳控制”能力，在网络资源不足时不能限制用户的数量，只能依靠降低服务质量来继续为用户服务。1网络流量不均衡引起的拥塞$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail$ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail$ns duplex-link $n2 $n3 2Mb 10ms DropTail如图所示为流量分布的不均衡，图中带宽分布是均衡的，节点0与节点2之间，节点1与节点2之间，节点2与节点3之间链路带宽都是2Mb，在0和1都以2Mb/s的速率向2发送数据时，在2会发拥塞。产生拥塞的主要原因：（1） 存储空间不足。当一个端口收到几个输入端口的报文时，接收的报文就会在这个端口的缓冲区中排队。如果端口没有足够的存储空间存储，在缓冲区占满时，报文就会被丢弃，对突发的数据流更是如此。适当增加存储空间在某种程度上可以缓解拥塞，但是如果过于增加存储空间，报文会因在缓冲区中排队时间过长而超时，源端会认为他们已经被丢弃而选择了重发，从而浪费了网络的资源，并且进一步加重了网络的拥塞。（2） 带宽容量不足。高速的数据流通过低速链路时也会产生拥塞。根据香农理论，任何信道带宽最大值即信道容量C=Blog2(1+S/N),所以节点接收数据流的速率必须小于或等于信道容量，才有可能避免拥塞。否则，接收的报文在节点的缓冲区队列，在缓冲区占满时，报文被丢弃，导致网络拥塞。因此，网络中的节点的低速链路将成为带宽的瓶颈和拥塞产生的重要原因之一。（3） CPU处理速度慢。如果节点在执行缓冲区中排队、选择路由时，CPU处理速度跟不上链路速度，也会导致拥塞。（4） 不合理的网络拓扑结构及路由选择。这也会导致网络拥塞。2.流量控制的含义如果发送端发送的数据过多或者数据发送速率过快，致使接收端来不及处理，则会造成数据在接收端的丢失。为了避免这种现象的发生，通常的处理办法是采用流量控制，即控制发送端发送的数据量及数据发送速率，使其不超过接收端的承受能力，这个能力主要是指接收端的缓存和数据处理速度。2流量控制原理 如图所示，表示局域网中的两台主机，主机A通过链路向主机B发送数据，假定两主机间的链路带宽为1.5Mbit/s，而主机B的数据处理速率假设为1Mbit/s，当A向B传送数据时，A发送的数据在B端就会发生拥塞，到达B的实时数据分组就会被丢弃或者延迟处理。为了避免这种现象的发生，可以限制主机A的发送速率，或者是增大B的接收缓存，这样就不会超过主机B的接收能力，从而实现流量控制。 拥塞控制需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是针对中间节点资源受限而设置的，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；流量控制是与，是局部问题，点到点的通信量有关的，是针对端系统中资源受限而设置的，主要解决快速发送方与慢接收方的问题，一般都是基于反馈进行控制的。拥塞控制和流量控制都是限制进入网络的通信量的机制，两者是不可分离的。不过，从广义上看，拥塞本质上也属于流量控制的范畴。拥塞控制和流量控制的控制措施1.拥塞控制措施 拥塞控制的目的是在有线下网络资源的情况下，通过通信量的约束与调配减少数据丢失，提高网络吞吐，充分利用已有的网络资源。因此拥塞控制通常从两方面着手：通信量的约束、通信量的调配。通信量的约束是指控制进入网络的通信量，使其与2网络容量相匹配；通信量的调配原则是合理处理和转发到达的网络数据，实现网络流量均衡。从控制理论的角度，拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制两大类。当流量特征可以准确规定、性能要求可以事先获得时适用于使用开环控制；当流量特征不能准确描述或者当系统不提供资源预留时，适于使用闭环控制。Internet中主要采用闭环控制。闭环控制的拥塞控制分为以下三个阶段：检测网络拥塞的发生；将拥塞信息报告到拥塞控制点；拥塞控制点根据拥塞信息采取相应的措施以消除拥塞。闭环的拥塞控制可以动态适应网络的变化，但其性能受到反馈延迟的影响较大。当拥塞发生点和控制点之间的延迟很大时，其性能会严重下降。根据算法的实现位置，可以将拥塞控制算法分为两大类：链路算法和源算法。链路算法在网络设备中使用，源算法在主机和和网络边缘设备中使用。在拥塞控制的源算法方面，大量的工作集中在对TCP协议的研究上。链路算法的研究集中在队列管理和队列调度方面。2.流量控制措施单纯增大接收端的承受能力也不能从根本上有效地解决接收端的流量过剩问题。解决这一问题的有效途径是采用流量控制。流量控制的目的是在有限的接收端能力的情况下，通过流量约束，减少接收端处的数据丢失，提高数据发送效率，充分利用接收端资源。目前，Internet的流量控制主要有端到端的流量控制和链路级的流量控制。端到端的流量控制是基于数据最终接收端的承受能力控制数据源端的数据流量；链路级流量控制则是基于接收节点的承受能力控制上游节点的数据流量。流量控制涉及的技术通常有停等协议、连续ARQ协议、滑动窗口协议等。停等协议主要用于理想传输信道，即所传送的任何数据既不会出现差错也不会丢失。要求发送方每发送一帧后均需要停止下来等待接收方的确认。在连续ARQ协议中，发送方可以一次连续发送多帧后再停止下来等待接收方的确认。滑动窗口协议是指一种采用滑动窗口机制进行流量控制的方法。通过限制已经发送但还未