传输层-5、网络拥塞原因和TCP拥塞控制

参考哈工大公开课。

拥塞的成因：

网络传输的是一个存储、转发的过程，两端由主机发送数据，中间是路由器或者交换机转发数据。那么中间的转发设备就需要把这些数据缓存起来，然后再进行转发。但是如果发送方发送数据过多、过快，但是转发设备的转发速率是有限的，那么就需要在转发设备那里排队，等待转发；而且转发设备的缓存空间有限，如果积累的数据过多，缓存满了，那么新来的数据就会因为数据无法被缓存而丢失。一旦数据丢失，就意味这之前的转发全部浪费，必须重发送方开始重发。

 

下面是一个因为拥塞丢包的例子：Host A通过红色的路线经过R1、R2发送给Host C，Host D 通过红色的路线经过R2、R3发送给Host B，如果在R2路由器发生了拥塞，导致Host A发送的数据包丢失了，那么Host A就必须重发并且R1的转发就浪费了。

图一：丢包重发实例

 

这个过程好比去买票，窗口是有限的，如果人太多，生意太好顾客就得排队；如果店面爆满，那就先把门关了，把店面暂时关了，先服务店面内的顾客。那么新来的顾客进不了店，白来一次，只有回家，等会再来。注意：顾客不能在门外等着，因为这是类比网络，顾客在门外等着就需要其他的缓存空间，这个在网络上是没有的，只能重来。

数据发送过多、过快导致延迟      ->    顾客来的过多、过快导致排队

转发设备缓存不足，数据包丢失    ->     店面爆满暂时关门，新顾客走了

 

拥塞在应用层的表现和解决方法：

表现也就是应用层如何判断网络拥塞，主要是两点：1、延迟增加；2、丢包率增加。

解决方法就是发送方减缓发送数据的速率。

 

拥塞控制的方法：

拥塞控制的方法主要有两种：1、网络辅助的拥塞控制（ATM）；2、端到端拥塞控制（TCP）。

 

1、 网络辅助的拥塞控制（以ATM为例）：就是路由器向发送方显示地反馈网络拥塞信息。 实现方式也很简单：就是在需要发生数据中加入记录各个路由器拥塞状态的数据块RM cell，每个路由器在转发时把拥塞状况写到RM cell中，接收方再接收到数据把RM cell发回给发送方，发送方根据RM cell中的信息控制发送速率；这种方式有最低保障速率。

图二：ATM拥塞控制过程

 

2、 端到端拥塞控制（TCP）：

TCP获得网络拥塞的方法与TCP重复发送的方法一致：1、timeout；2、收到3个重复的ACK。

 

注：这里引入一个CongWin用来记录一个RTT内只发送Segment的数量。

TCP合理调整发送速率的方法：A、加性增—乘性减：Admin；B、慢启动：SS；

1)、 TCP连接开始时，CongWin = 1；

2)、 由于刚开始发送得比较少，CongWin就采用指数增长的方式，即CongWin= 2* CongWin；

3)、 在此需要引入一个Threshold变量，用来记录CongWin指数增长的上限。

4)、 当CongWin增长到大于等于Threshold，就会采用比较谨慎的增长方式，每次+1。

5)、 当增长到一定程度，发生拥塞事件，发送方收到3个重复的ACK，就直接把发送速度减半，即CongWin = CongWin / 2，同时将Threshold设置为Threshold = CongWin。

6)、 在发生拥塞事件后，也可能发生超时事件，这时Threshold也会被设置为Threshold = CongWin/2，但是在设置完Threshold后CongWin会被设置为1。

 

超时和收到3个重复的ACK对Threshold的处理是一样的，对CongWin的处理却不同。原因是因为可以收到ACK说明网络还有一定的传输能力，而连ACK都收不到，说明网络拥塞严重，顾降速幅度较大。

图三：CongWin变化过程