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计算机网络笔记No.14

分类: 文章 • 2024-06-03 08:55:28

拥塞控制

拥塞控制原理

  • 拥塞(Congestion)
    非正式定义：太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，以至于网络无法处理
    表现：分组丢失（路由器缓存溢出）；分组延迟过大（在路由器缓存中排队）

拥塞的成因和代价：场景1
两个senders；两个receivers； 一个路由器，无限缓存，没有重传
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吞吐量、延迟与发送接收的关系：
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拥塞的成因和代价：场景2
两个senders；两个receivers；一个路由器, 有限缓存；Sender重传分组

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情况a: Sender能够通过某种机制获知路由器buffer信息，有空闲才发 (goodput)
情况b: 丢失后才重发：λin>λout
情况c：分组丢失和定时器超时后都重发，λin 变得更大
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  • 拥塞的代价:
  1. 对给定的”goodput”，要做更多的工作 (重传)
  2. 造成资源的浪费

拥塞的成因和代价：场景3
四个发送方；多跳；超时/重传
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  • 拥塞的另一个代价: 当分组被drop时，任何用于该分组的“上游”传输能力全都被浪费掉

拥塞控制的方法

  1. 端到端拥塞控制：（TCP采取这种方法）

    • 网络层不需要显式的提供支持
    • 端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞

  2. 网络辅助的拥塞控制：

    • 路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息
    • 简单的拥塞指示(1bit)：SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM)
    • 指示发送方应该采取何种速率

案例：ATM ABR拥塞控制计算机网络笔记No.14
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TCP拥塞控制

TCP拥塞控制的基本原理：

  1. Sender限制发送速率（LastByteSent - LastByteAcked<= CongWin）
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    CongWin：动态调整以改变发送速率；反映所感知到的网络拥塞

  2. 感知网络拥塞

    • Loss事件 = timeout 或3个重复ACK
    • 发生loss事件后，发送方降低速率

  3. 合理地调整发送速率：加性增—乘性减：AIMD；慢启动：SS

  • 加性增—乘性减: AIMD
    原理：逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，直到发生loss
    加性增Additive Increase:：每个RTT将CongWin增大一个MSS——拥塞避免
    乘性减Multiplicative Decrease: 发生loss后将CongWin减半

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  • TCP慢启动: SS
    原理：当连接开始时，指数性增长
    TCP连接建立时，令CongWin=1；可用带宽可能远远高于初始速率——希望快速增长

    指数性增长：

    • 每个RTT将CongWin翻倍
    • 初始速率很慢，但是快速攀升
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      Threshold变量
      何时应该指数性增长切换为线性增长 —— 当CongWin达到Loss事件前值的1/2时
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      Loss事件发生时, Threshold 被设为Loss事件前CongWin 值的1/2

  • Loss事件的处理：

    1. 3个重复ACKs：CongWin切到一半，然后线性增长
    2. Timeout事件：CongWin直接设为1个MSS，然后指数增长，达到threshold后, 再线性增长

3个重复ACKs表示网络还能够传输一些 segments；timeout事件表明拥塞更为严重

例题
一个TCP连接总是以1 KB的最大段长发送TCP段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为16 KB时发生了超时，如果接下来的4个RTT（往返时间）时间内的TCP段的传输都是成功的，那么当第4个RTT时间内发送的所有TCP段都得到肯定应答时，拥塞窗口大小是多少？

解：
threshold=16/2=8 KB, CongWin=1 KB；
1个RTT后， CongWin=2 KB ，2 个RTT后， CongWin=4 KB ，3个RTT后， CongWin=8 KB
Slowstart is over;
4个RTT后， CongWin=9 KB

TCP性能分析

  • 给定拥塞窗口大小和RTT，忽略掉Slow start吗，TCP的平均吞吐率是多少？
  1. 假定发生超时时CongWin的大小为W，吞吐率是W/RTT
  2. 超时后，CongWin=W/2，吞吐率是W/2RTT
  3. 平均吞吐率为：0.75W/RTT

举例：每个Segment有1500个byte, RTT是100ms，希望获得10Gbps的吞吐率，那么：
throughput = W * MSS * 8/RTT,
则W=throughput * RTT / (MSS * 8)
throughput=10Gbps,
则W=83333

  • 吞吐率与丢包率(loss rate, L)的关系
    CongWin从W/2增加至W时出现第一个丢包，那么一共发送的分组数为
    • W/2+(W/2+1)+(W/2+2)+….+W = 3W2/8+3W/4
      W很大时，3W2/8>>3W/4，因此L ≈ 8/(3W2)
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L = 2 * 10-10，丢包率太低对网络要求太高：高速网络下需要设计新的TCP

  • TCP的公平性
    如果K个TCP Session共享相同的瓶颈带宽R，那么每个Session的平均速率为R/K
    TCP具有公平性：

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但是：
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