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p53-p57
拥塞控制
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）
拥塞控制VS流量控制
可靠数据传输根据端到端符合个体利益，拥塞控制像是一个社会问题
流量控制是不要让接收方溢出，而拥塞控制是不要让网络溢出
A top-10 problem
用色的成因和代价
场景1：分组时延太大
路由器向C、D主机总带宽未C?
由于路由器有无限的缓存，不存在丢包，所以没有重传机制
左边的图表示吞吐率
因为共享带宽，输出最大带宽为C/2
右边的图表示时延
输入接近C/2时时延接近无限
?因为一直在排队，形成排队的速度大于处理的速度，越后面的分组等的时间越久
场景2：吞吐率降低
一个路由器有有限的buffer
Sender重传分组
?因为重传造成了资源的浪费
定时器与丢失叠加造成了更多的重传
场景3
?多跳产生了多个主机传输间的竞争
?Q为什么拥塞控制在传输层做
A应该是单个应用不知道其他应用是否也在发数据，所以就不能控制自己的发送速率。而多个应用的数据是汇总到传输层，所以传输层才知道数据是否太多
拥塞控制的方法
端到端拥塞控制
网络层不需要显式地提供支持
端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞
TCP采取这种方法
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（端系统利用信息来调节）
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
ATM ABR拥塞控制
ABR：available bit rate
弹性服务
如果发送方路径“underloaded”负载低：使用可用带宽
如果发送方路径拥塞：将发送方速率降到最低保障速率
RM（resource management ）cells
穿插在data cells中间
发送方发送
交换机设置RM cell位（网络辅助）
? ? ? NI bit：rate不许增长
? ? ? CI bit：拥塞指示
RM cell由接收方返回给发送方（得到了路径上所有的交换机RM cell，并返回给发送方）
?
在RM cell中有显式地速率（ER）字段：两个字节
? ? ? 拥塞的交换机可以将ER置为更低的值
? ? ?发送方获知路径所能支持的最小速率
数据cell中的EFCI位：拥塞的交换机将其设为1
如果RMcell前面的data cell的EFCI位被设为1，那么发送方在返回RM cell中置CI位
TCP拥塞控制
TCP拥塞控制的基本原理
Sender限制发送速率
设置一个变量叫拥塞窗口CongWin
?CongWin：
动态调整以改变发送速率
反应所感知到的网络拥塞
Q如何感知网络拥塞？
A
Loss事件=timeout或3个重复的ACK
发生loss事件后，发送方降低速率
Q如何合理的调整发送速率
A
加性增-乘性减：AIMD 拥塞避免机制
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，知道发生loss
方法：AIMD
Additive Increase：每个RTT将CongWin增大一个MSS-----拥塞避免
Multiplicative Decrease：发生loss后将CongWin减半
?慢启动：SS
TCP建立时，CongWin=1
eg：MSS=500 byte，RTT=200ms
初始速率=20kbps
可用带宽可能远远高于初始速率
希望快速增长
原理：
?当连接开始时，指数型增长
?每个RTT将CongWin翻倍
收到每个ACK进行操作
初始速率很慢，但是快速攀升
Q何时应该指数性增长切换线性增长（拥塞避免）？
当CongWin达到Loss事件前值的1/2时?
实现方法：
变量Threshold
Loss事件发生时，Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2
蓝色为TCP早期版本：重新进入慢启动
黑色为后来版本：慢启动后，执行加性增-乘性减
Loss事件的处理
?3个重复的ACKs：
CongWin切到一半
然后线性增长
Timeout事件：
CongWin直接设为1个MSS
然后指数增长
到达threshold后，再线性增长
Q为什么两个处理不同
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
总结
当CongWin低于Threshold，发送方处于慢启动阶段，CongWin指数增长
当CongWin大于Threshold，发送方处于拥塞避免阶段，CongWin线性增长
当收到3个重复ACKs时，Threshold减为原来CongWin的一半，CongWin=Threshold
当timeout时，Threshold减为原来CongWin的一半，CongWin=1
?TCP拥塞控制算法
rate≈CongWin/RTT，流水线机制一个RTT可能收到多个ACK，对于每个ACKCongWin+1，速率就成倍增长了
?例题
?TCP性能分析
TCP吞吐率
例子
?Q：TCP在未来是否还适用
?TCP连接丢包率极低，对链路的设计要求极高
TCP的设计有些参数不满足当今某些硬件需求了
高速网络下需要设计新的TCP
TCP的公平性
TCP是公平的
?细线：最终TCP吞吐率相等
粗线：限制了整个带宽的瓶颈带宽R
?
?公平性与UDP（TCP吃亏）
多媒体应用通常不使用TCP，以免被拥塞控制机制限制速率
使用UDP：以恒定速率发送，能够容忍丢失
产生了不公平
研究：对TCP有好的UDP
公平性与并发性TCP连接
?某些应用会打开多个并发连接
Web浏览器
产生公平性问题
例子：链路速率为R，已有9个连接
新来的应用请求1个TCP，获得R/10的速率
新来的应用请求11个TCP，获得R/2的速率
传输层总结
?