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TCP協(xié)議的擁塞控制策略及改進(jìn)( 二 )

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2. 網(wǎng)絡(luò)擁塞的基本概念
2.1 擁塞的基本概念和互聯(lián)網(wǎng)模型
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在過多的數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞 。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吞吐量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生“擁塞崩潰”（congestion collapse）現(xiàn)象 。一般來說，擁塞崩潰發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率的降低的時(shí)候 。最初觀察到這種現(xiàn)象是在1986年10月，在這個(gè)過程中，LBL與UC Berkeley之間的吞吐量從32kbps下降到了40bps 。Floyd總結(jié)出擁塞崩潰主要包括以下幾種：傳統(tǒng)的崩潰、未傳送數(shù)據(jù)包導(dǎo)致的崩潰、由于數(shù)據(jù)包分段造成的崩潰、日益增長(zhǎng)的控制信息流造成的崩潰等 。
圖1：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與吞吐量及響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系
對(duì)于擁塞現(xiàn)象，我們可以進(jìn)一步用圖1來描述 。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，吞吐量基本上隨著負(fù)載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，呈線性關(guān)系，響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)緩慢 。當(dāng)負(fù)載達(dá)到網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)，吞吐量呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)，而響應(yīng)時(shí)間急劇增加，這一點(diǎn)稱為Knee 。假如負(fù)載繼續(xù)增加，路由器開始丟包，當(dāng)負(fù)載超過一定量時(shí)，吞吐量開始急劇下降，這一點(diǎn)稱為Cliff 。擁塞控制機(jī)制實(shí)際上包含擁塞避免（congestion avoidance）和擁塞控制（congestion control）兩種策略 。前者的目的是使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在Knee四周，避免擁塞的發(fā)生；而后者則是使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在Cliff的左側(cè)區(qū)域 。前者是一種“預(yù)防”措施，維持網(wǎng)絡(luò)的高吞吐量、低延遲狀態(tài)，避免進(jìn)入擁塞；后者是一種“恢復(fù)”措施，使網(wǎng)絡(luò)從擁塞中恢復(fù)過來，進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài) 。
擁塞現(xiàn)象的發(fā)生和前面提到的互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)機(jī)制有著密切關(guān)系，我們對(duì)這種設(shè)計(jì)機(jī)制作一個(gè)簡(jiǎn)單的歸納：

數(shù)據(jù)包交換（packet switched）網(wǎng)絡(luò)：與電路交換（circuit switched）網(wǎng)絡(luò)相比，由于包交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的利用是基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用（statistical multiplexing）的，因此提高了資源的利用效率 。但在基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的情況下，很難保證用戶的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），并且很輕易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包“亂序”的現(xiàn)象，對(duì)亂序數(shù)據(jù)包的處理會(huì)大大增加擁塞控制的復(fù)雜性 。
無連接（connectionless）網(wǎng)絡(luò)：互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間在發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)上無需保留和連接有關(guān)的狀態(tài)信息 。但無連接模型很難引入接納控制（admission control），在用戶需求大于網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)難以保證服務(wù)質(zhì)量；此外，由于對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送源的追蹤能力很差，給網(wǎng)絡(luò)安全帶來了隱患；無連接也是網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序數(shù)據(jù)包的主要原因 。
“盡力而為”的服務(wù)模型：不對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供服務(wù)質(zhì)量保證 。在這種服務(wù)模型下，所有的業(yè)務(wù)流被“一視同仁”地公平地競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源，路由器對(duì)所有的數(shù)據(jù)包都采用先來先處理（First Come First Service，F(xiàn)CFS）的工作方式，它盡最大努力將數(shù)據(jù)包包送達(dá)目的地 。但對(duì)數(shù)據(jù)包傳遞的可靠性、延遲等不能提供任何保證 。這很適合Email、FTP、WWW等業(yè)務(wù) 。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，IP業(yè)務(wù)也得到了快速增長(zhǎng)和多樣化 。非凡是隨著多媒體業(yè)務(wù)的興起，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不是單純的處理數(shù)據(jù)的工具 。這對(duì)互聯(lián)網(wǎng)也就相應(yīng)地提出了更高的要求 。對(duì)那些有帶寬、延遲、延遲抖動(dòng)等非凡要求的應(yīng)用來說，現(xiàn)有的“盡力而為”服務(wù)顯然是不夠的 。
2.2 擁塞產(chǎn)生的原因
擁塞發(fā)生的主要原因在于網(wǎng)絡(luò)能夠提供的資源不足以滿足用戶的需求，這些資源包括緩存空間、鏈路帶寬容量和中間節(jié)點(diǎn)的處理能力 。由于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)機(jī)制導(dǎo)致其缺乏“接納控制”能力，因此在網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)不能限制用戶數(shù)量，而只能靠降低服務(wù)質(zhì)量來繼續(xù)為用戶服務(wù)，也就是“盡力而為”的服務(wù) 。

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