26、拥塞控制算法（网络层）

引言

• 网络中存在太多的数据包导致数据包被延迟和丢失，从而降低了传输性能，这种情况称为拥塞。网络层和传输层的共同承载着处理拥塞的责任。由于拥塞发生在网络内部，正是网络层直接经历拥塞，而且必须由它最终确定如何处理过载的数据包。然而，控制拥塞的最好方法是减少传输层注入网络的负载。这就需要网络层和传输层协同工作。本章将着眼于拥塞控制在网络层方面的处理；下一章讲解在传输层的处理。
• 图中描绘了拥塞的发生。当主机发送到网络的数据包数量在其承载范围之内时，送达的数据包数与发送的数据包数成正比例增长。然而，随着负载接近承载能力，偶尔突发的流量填满了路由器内部的缓冲区，因而某些数据包会被丢失。这些丢失的数据包消耗了部分容量，因此，送达的数据包数量低于理想曲线，网络开始拥挤了。
• 除非网络是精心设计的，否则极有可能会遭遇拥塞崩溃，表现为随着注入负载的增加到超出网络的容量，网络性能骤降。这种可能非常有可能发生，因为数据包在网络内部遭遇到了足够的延迟，使得它们离开网络后已经不再有用。例如，在早期Internet中有许多慢速的56kbps链路，那么通过这样的链路发送的数据包，包花在等待积压在前面数据包排空的的时间远远超过了允许其在网络中的最大生存期，因此不得不扔到。这种延迟很长的数据包会被认为已经丢失而需要重传，相同的数据包的副本将通过网络传送，再次浪费了网络的容量。为了捕捉这些因素，图中的y轴表示实际吞吐量，表示网络传递有用数据包的传送速率。
• 我们设想这样的网络：首先尽可能地避免产生拥挤，其次如果它们确实拥挤时不会遭遇拥塞崩溃。不幸的是，拥塞不可能完全避免。如果突然间，从三四条线路入境的的数据包流都需要转发到相同的输出线路，则会形成一个队列。如果没有足够的内存来容纳所有这些数据包，数据包将被丢弃。为路由器添加更多的内存可以缓解这一点，但Nagle认识到如果路由器拥有无限内存，拥堵情况会更加恶化，这是因为当数据包排到前面时，它们早就超时了并且它们的副本也可能在队列中，最终导致拥塞崩溃。
• 低带宽链路或者处理数据包速度比线路速率还低的路由器也会变得拥挤不堪。在这种情况下，把一些流量导出瓶颈区域指向网络的其他部分可以改善这种拥塞状况。然而，最终网络的所有区域都将出现拥塞，只能通过卸下负载或建立一个更快的网络。
• 值得指出的是拥塞控制和流量控制之间有很大差异。拥塞控制的任务是确保网络能够承载所有到达的流量，这是一个全局性的问题，涉及各方面的行为，包括所有的主机和路由器。流量控制只是与特定的发送方和特定的接收方的点到点流量有关，它的任务是确保一个快速的发送方不会持续地以超过接收方能力的速率传输数据。拥塞控制和流量控制之所以常常被混淆的原因在于处理上述两个问题的最好方法都是迫使主机慢下来。因此，一台主机接收到“慢速前行”的消息可能是来自不能处理负载的接收方，也可能是不能处理负载的网络。我们首先考查在不同的时间尺度可使用的一些方法，作为学习拥塞控制的开始；然后，我们将考查把预防拥塞放在首位的方法，其次学习一旦拥塞发生后的各种动态处理算法。

1、拥塞控制的途径

• 拥塞的出现意味着负载（暂时）大于资源（在网络的一部分）可以处理的能力。很自然人们想到两个解决方案：增加资源或减少负载。如图，这些方案通常用在不同的时间尺度上，要么预先避免拥塞，要么拥塞之后立即做出反应。
• 避免拥塞的最基本方法是建立一个于流量匹配的良好的网络。如果存在一条低带宽的链路，大多数流量所走的路径都要经过这条链路，那么发生拥塞的可能性非常大。有时出现严重拥塞时，可以动态增加网络资源，例如把通常只用了备份的路由器或线路（使系统容错）打开，或者在公开市场上购买带宽。更多时候，经常大量使用的链路和路由器都尽早升级。这就是所谓的供给。
• 为了充分利用现有的网络容量，根据每天的流量模式度身定制路由，因为不同时区的网络用户每天醒来和睡觉的时间是不同的。例如，通过改变最短路径的权重可更改数据包路由，以便使流量远离频繁使用的路径。一些本地广播电台有直升机围绕着城市上方飞来飞去报告道路拥塞状况，以便帮助他们的移动听众路由它们的数据包（汽车）绕开热点地区。这称为流量感知路由，把流量拆分到多个路径也是有效的。
• 然而，有时候不可能增加容量。那么对抗拥塞的唯一方法就是降低负载，在一个虚电路网络中，如果新的连接将导致网络变得拥挤不堪，那么就应该拒接这种新连接的建立，这种控制称为准入控制。
• 以更细一点的粒度，当拥塞已经迫在眉睫，网络可以给造成问题的数据包源端传递反馈信息，要求限制他们的流量。这种方法存在两个困难：第一，如何确定网络开始拥塞了；第二，如何通知源端减缓速度。为了解决第一个车问题，路由器可监测平均负荷、排队延迟或丢包情况。在所有情况下，数值上升表明拥挤情况越来越严重。为了解决第二个问题，路由器必须参与到源端的反馈循环中。为了正常工作，必须仔细调整时间尺度。如果每次连续到达两个数据包，路由器就叫喊STOP；而每当路由器空闲20微秒时，它就喊GO，那么系统将会剧烈地摇摆不定，无法收敛。另一方面，如果它等待30分钟才能确定说什么，则拥塞控制机制的反应过于迟缓，一点用途也没有。即使提供反馈并不是一件小事。需要额外关注的是，当网络早已被拥塞时路由器或许要发送更多的消息。
• 最后，当一切都努力失败。网络不得不去丢弃它无法传递的数据包。这种方法的通用名称是负载脱落，一个选择丢弃哪些数据包的良好策略可以防止拥塞崩溃。

2、流量感知网络

• 我们讨论过的路由方案采用固定链路权重，这些方案能使用拓扑结构的变化，但不能适应负载的变化。在计算路由时考虑链路负载的目的是把热点地区的流量转移出去，而热点地区是指网络中体验到拥塞的第一位置。最直接的方式是把链路权重设置成一个（固定）链路带宽、传输延迟、（可变）测量负载或平均排队延迟的函数。在所有其他条件都相同的情况下，最小权重的路径更青睐那些轻负载的路径。
• 早期Internet使用的流量感知路由（Khama和Zinky）有一个危险，如图。图中的网络被分为东西两块，这两部分通过链路CF和链路EI相连。假设东西之间的大部分流量使用链路CF，因此这个链路负载超重因而延迟增大。如果把排队延迟加入到计算最短路径的权重中，那么链路EI将变得非常有吸引力。当新的路由表被安装好之后，大部分东西放的流量现在改走EI，由此增加了次链路的负载。因此在下一次路由更新时，CF将成为最短路径。结果，路由表可能会剧烈地摇摆不定，从而导致不稳定的路由和许多潜在的问题。
• 如果忽略负载，只考虑带宽和传输延迟，这个问题就不会发生。尝试在路由权重中包括负载但将其限定在一个狭窄的范围内可减缓路由震荡。两种技术有助于获得成功的解决方案。首先是多路径路由，即从源端到目的地可以存在多条路径，在例子中，这意味着可以把整个流量分散到东西两条链路上。第二个技术是把流量慢慢迁移，足够慢到路由算法得到收敛。
• 由于存在这些困难，Internet路由协议通常不依赖于负载来调整自己的路由。相反在路由协议外部通过慢慢改变它的输入来调整路由，这种方法就是所谓的流量工程。

3、准入控制

• 一种广泛应用于虚电路网络，防止出现拥塞的技术是准入控制。其基本思想非常简单：除非网络可以携带额外的流量而不会变得拥塞，否则不再建立新的虚电路。因此，任何建立新的虚电路的尝试或许会失败。类似的，在电话系统中，当一台交换机实际超载时，它也会采用准入控制方法，不再送出拨号音。
• 这种方法的诀窍是当一条新的虚电路将导致拥塞时如何工作。这项任务在电话网络中比较简单，因为电话呼叫所需的固定带宽（64kbps的无压缩音频）。然而计算机网络中的虚拟电路有各种形状和大小。因此，想要采用准入控制必须找出虚电路的一些流量特性。
• 流量往往以其速度和形状来描述。如何以一种简单而有意义的方式来描述流量是困难的，因为流量呈现突发性。例如，浏览网页时的流量变化很大，比具有固定长期吞吐量的流式电影更难以处理，因为突发性的网页流量更容易堵塞主网络中的路由器。捕获这个效果的通常采用的描述符是漏桶或令牌桶。一个漏桶中有两个参数约束了平均速率和瞬时突发流量大小，由于漏桶被广泛应用于服务质量，我们将在下节描述。
• 有了流量说明，网络就能确定是否接受新的虚拟电路。一种可能性是网络为它的每条虚电路保留其沿途的足够容量，这样就不会出现拥塞。在这种情况下，流量说明是一个网络向用户提供保证的服务约定。即使没有做出保证，网络也可以利用流量说明来进行准入控制。然后，我们的任务是估计出多少电路能被网络的承载能力所容纳，而不会拥塞。假设虚拟电路可能爆发的流量速率高达10Mbps，如果所有流量都要通过一条100Mbps的物理链路，那么准许10条电路并不会有拥塞风险，但在正常情况下会浪费带宽，因为很少可能发生所有10个用户在同一时间以全速率传送数据的情形。在实际网络中，对过去行为的数据特征进行统计，可用来估计准入的虚电路数量，从而以可接受的风险换取更好的性能。
• 准入控制还可以和流量感知路由相结合，在虚电路建立过程中，考虑绕开流量热点区域的路由。如图，这里显示的两台路由器已经被堵塞。假设一台连接到路由器A的主机想要与另一台连接到B的主机建立一个连接。通常情况下，这个连接将会经过其中一台拥塞的路由器。为了避免这种情况，我连可以重画网络，如图b，去掉拥塞的路由器和它们所有的线路。图中虚线显示了一条可能的虚电路路径，它避开了拥塞的路由器。

4、流量调节

• 在Internet和许多计算机网络中，发送方调整它们的的传输速度以便发送网络能实际传送的流量。在这种设置下，网络的目标是在拥塞发生之前正常工作。而当拥塞迫在眉睫，它必须告诉发送方紧急刹车放慢传输速度。这种反馈是一种常态而不是针对特殊的情况的一种处理。术语拥塞避免有时用来对比某个操作点，以示与已经变得拥挤的网络区分开。
• 流量控制的一些方法可以用在数据报网络和虚电路网络。每个方法必须解决两个问题。首先，路由器必须确定如何何时快要接近拥塞。为此，每个路由器可连续监测它正在使用的资源。三种可能的资源分别是输出线路的利用率、在路由器内缓冲的排队数据包以及由于没有足够的缓存而丢失的数据包数量。在这些可能性中，第二个最有用。平均利用率并没有直接考虑大多数流量的突发数据包的——50%的利用率对平滑流量来说太低，但对于变化很大的流量来说就太高了。丢失数据包的计数来得太迟，在数据包丢失时拥塞就已经形成。
• 路由器内部的排队延迟直接捕获了数据包经历过的任何拥塞情况。它在大部分时间应该很低，但当有一个突发流量产生积压时会跳跃。为了维持良好的排队估计延迟d，假设s表示瞬时队列长度的样值，则d可定期生成，并按如下方式进行更新：d_new=αd_old+(1-α)s。其中常数α表示路由器多快忘记历史，这就是所谓的指数加权移动平均（EWMA）。它能平滑流量的波动，相当于一个低通滤波器。每当d升高到某个阈值之上，路由器就要注意拥塞情况了。要考虑的第二个问题是，路由器必须及时把反馈信息传递给造成拥塞的发送方。拥塞时网络的一种体验，但缓解拥塞则需要使用网络的发送后采取行动。为了传递反馈信息，路由器必须标识适当的发送方；然后提醒它们小心谨慎，别向本已拥挤的网络发送更多的数据包。不同的方案使用不同的反馈机制，以下陈述。

抑制包

• 通知拥塞发送方的最直接方式是告诉发送方，在这种方法中，路由器选择一个被拥塞的数据包，给该数据包的源主机返回一个抑制包。抑制包中的目的地址取自该拥塞数据包。同时，在原来的拥塞数据包上添上一个标记（设置头部中的一位），因而它在前行的路径上不会不会产生更多的抑制包，除此之外，数据包的转发过程如同平常一样。
• 当源主机收到了抑制包，按照要求它必须减少发送给指定目标的流量，比如说减少50%。在数据报网络中，发生拥塞时路由器简单地随机选择一个数据包，很有可能就把抑制包发给了快速发送方，因为发送方的速度越快，它的数据包排队在路由器队列中的数目就越多。这个协议隐含的反馈有助于防止阻塞，但又不会抑制任何发送方，除非真的发生了拥塞。出于同样的原因，很可能多个抑制包被发送到了一个给定的主机和目的地。主机应该忽略掉在固定时间间隔内到达的这些额外抑制包，直至其减缓流量的行为产生了效果。超过这个固定的时间间隔，从路由器进一步反馈来的抑制包则指出网络仍然处于拥塞状态。
• 早期Internet使用的一个抑制包例子是SOURCE-QUENCE消息。尽管它从来没有流行过，不过部分原因在于它产生的情况和效果都没有明确说明。现代Internet使用了另一种“通知”设计方案，如下。

显式拥塞通知

• 除了生成额外的包发出拥塞警告之外，路由器可以在它转发任何的数据包上打上标记（设置数据包头的某一个标志位）发出信号，表明拥塞情况。当网络传递数据包时，接收方可以注意到有个拥塞已经发生，接收方发送应答包时顺便告诉发送方。然后发送方可以降低传输速率。
• 这种设计方案称为显式拥塞通知（ECN），且已被用在Internet上。这是早期拥塞信令协议的细化，尤其是对二进制反馈方案的细化，该方案曾经用在DECNET体系结构。IP数据包头中的两位用来记录数据包是否经历了拥塞。数据包从源端发出时没有标记，如图所示。如果它们通过的任何一个路由器正经历拥塞，该路由器在转发数据包时将其标记为经历拥塞；然后接收方在它的下一个应答数据包里回显该标志作为显式拥塞信号，发送方必须降低传输速率。

逐级后跳

• 当网络速度很高或者距离很远时，由于传播延迟的缘故，拥塞信号发出后到它产生作用这期间又有许多新的数据包已经被注入到网络。例如，旧金山的一台主机（图中路由器A）正在给纽约的一台主机（图中路由器D发送数据），速度为OC-3的155Mbps。如果纽约的主机现在用完了缓存空间，它将花40毫秒的时间才能将抑制包发回旧金山主机，告诉它降低传输速度。如果采用ENC指示，则需要更长时间，因为抑制消息通过接收方传递。抑制包的传播过程如图a中的第2、3、4步所示，在这40毫秒期间，A又给D发送了6.2M的数据。即使旧金山的主机立即停机，传输管道里的6.2M数据也连续倾入网络，而且网络必须处理它们。只有在图a中的第7个图中，纽约的路由器才会注意到数据包减慢了。
• 另一种办法是让抑制包在沿途的每一跳都发挥作用，如图b所示。只要抑制包到达F，则F必须按照要求减慢发给D的数据包流。这样做的结果是要求F为D的数据包流分配更多的缓冲区，因为源主机仍然在全速发送数据，但是F这么做却让D立刻得到缓解。在下一步，抑制包到达E，它告诉E减慢给F的数据包流。这一行动给E的缓冲区带来了更大的需求，但是却让F立即得到缓解。最后，抑制包到达A，数据包流才真正慢下来。这种逐条方案的时间效果是拥塞点上的拥塞现象很快得到了缓解，但是其代价是上游路径需要消耗更多的缓冲区间，使用这种方法可以将拥塞灭在萌芽状态，而不会丢失任何数据包。

5、负载脱落

• 当以上任何一种方法都无法消除拥塞时，路由器可以使用负载脱落。负载脱落指当路由器因为来不及处理数据包而面临被这些数据包淹没的危险时，就将它们丢弃。对于一个被数据包淹没的路由器来说，关键问题是选择丢弃哪个数据包。首选的方案可能取决于使用网络的应用程序类型。对于文件传输，旧的数据包价值要高于新的数据包。这个原因我们可以用一个例子加以说明。如果丢弃数据包6，而保持数据包7~10，只会迫使接收方做更多的工作来缓冲它已经接收但尚不能使用的数据。相比之下，对于实时流媒体，新的数据包价值超过旧的数据包，因为如果数据包被延迟并且错失了给用户的播放时间，那么该数据包就变得一无所用。前一种策略（即旧比新好）通常称为葡萄酒策略，后一种策略（即新比旧好）通常称为牛奶策略。
• 更智能的卸载方式需要发送方的配合。一个例子是携带路由信息的数据包。这些数据包比普通数据包重要得多，因为它们是被用来建立的路由；如果丢失它们，或许就会丢失网络连接。另一个例子是视频压缩算法，如MPEG，这些算法定期发送全帧，然后发送一系列与上一个全帧的差异帧。在这种情况下，应该优先丢弃那些属于差异帧的数据包，因为未来的数据包的工作依赖于全帧。为了实现智能丢弃策略，应用程序必须在它们的数据包上打上标记，只是忘了它们有多重要；然后当不得不丢弃数据包时，路由器可以首先丢失重要性最低的一类数据包，然后是次一级，以此类推。
• 当然，除非有一些明显的激励措施来避免每个数据包都标志成“非常重要”——“永不丢弃”，否则没有人愿意会把自己的数据包标示得那么不重要。通常计费和金钱可用来组织轻浮的标志。例如，如果发送方购买了某项服务，该服务规定了一定的发送速度，网络可能允许发送方的发送速度超过他们购买的额度，只要他们吧超出部分的数据包标记为低优先级。这种策略可以更加有效的利用闲置资源；只要其他人对此没有兴趣，主机就可以使用这些资源，但不能给她们在网络困难时也拥有这种权利。

随机早期检测机制

• 在拥塞刚出现时就处理它更加有效，这一观察导致了一个针对负载脱落的一个有趣转折，即在所有的缓冲空间都精疲力尽的之前丢弃数据包。这一观点的动机在于大多数Internet主机没有从路由器获得ECN形式的拥塞信号，主机从网络获得的唯一可靠的拥塞迹象是丢包。毕竟，很难构造出一个路由器，在它超负荷工作的时能做到不丢包。因此，诸如TCP这样的传输协议硬件规定了对丢包现象做出拥塞反应，减缓源端的响应。这背后的逻辑推理是TCP是专门为有线网络设计的，并且有线网络非常可靠，所以丢包大多是由于缓冲区溢出而不是传输错误造成的。无线链路必须恢复链路层传输错误（所以它们没有出现讲解的网络层这一章）以便TCP能正常工作。
• 可以利用这种情形来帮助缓解拥塞。在局面变得毫无希望之前让路由器提前丢包，这里有个时间点的确定问题，即发送方何时采取行动以免为时过晚。解决这个问题的一个流行算法称为随机早期检测（RED）。为了确定何时开始丢弃数据包，路由器要维护一个运行队列长度的平均值。当某条链路上的平均队列长度超过某个阈值时，该链路就被认为即将拥塞，因此路由器随机丢弃一小部分数据包。随机选择丢弃的数据包使得快速发送方发现丢包的可能性更大；因为在数据报网络中，路由器不能分辨出哪个源引起了网络的拥塞，因此随机选择丢弃的数据包或许是最佳的选择。当没有出现期待的确认信息时，受此影响的发送方就会发现丢包，然后传输协议将放慢速度。因此，丢失的数据包起到了传递抑制包的同样作用，但却是隐含的，无需路由器发送任何显示的信号。
• 相比那些只在缓冲区溢出才丢包的路由器，RED路由器能提高网络性能，虽然它们可能需要调整正常工作方式。举例来说，理想的丢包数量取决于有多少个发送方必须得到拥塞通知。然而，如果ECN可用，那么它就是首选项。ECN提供了一个显式拥塞信号而不是依据丢包来判断是否拥塞；RED用在主机不能接收显式信号的环境里。