浅谈网络延迟原理与拥塞控制

浅谈网络延迟原理与拥塞控制 王惠娟 ,宁夏电力通信分公司, 银川市 75000,1 摘 要, 通过介绍拥塞控制的基本理论,了网络拥塞的原因,讨论了拥塞控制的方法,包括流量整形、拥 塞管理、拥塞避免,得出只有采用多种策略,并从多个角度实施拥塞控制,才能更好地保证互联网正常运行。 关键词, TCP/IP协议,网络延迟, 拥塞控制 中图分类号, TP393 文献标志码, B 文章编号, 1672-3643,2008,zk-0120-02 出的分组数目。具有理想拥塞控制的网络,在吞吐量饱和之 1 引言 前,网络吞吐量应等于网络负载,吞吐量曲线是 45度的 斜 线。当网络负载超过某一限度时,由于网络资源受限,吞吐 当通信子网中存在过多报文时,网络的性能就会下降, 量不再增长而保持为水平线,即吞吐量达到饱和。这明网这种现象称为拥塞。由于 Internet 采用的是统计复用技术, 络负载中有一部分损失掉了,但这是理想状态。实际网络的 大量的数据流共享一条链接,其运行环境在不断发生变化。 情况是,随着网络负载的增大,网络吞吐量的增长速度逐渐 基于 TCP/IP协议的网络通信协议 是 Internet中的主流 通信 减小。即在网络吞吐量还未达到饱和时,就已经有一部分的 协议,这种网络采用的是尽力而为的服务模型,所有的数据 输入分组被丢弃了。当网络的吞吐量明显地小于理想的吞 流被不加区分地在网络中传输,网络无法给用户一个定量 吐量时,网络就进入了轻度拥塞的状态。当网络负载达到某 的性能指标,如吞吐量、时延、包丢失率等。在目前网络带宽 一数值时,网络的吞吐量将随网络负载的增大而下降,这时 有限,数据传输的需求量远远超过网络的瓶颈带宽时,必定 网络就进入了拥塞状态。此时若不进行拥塞控制而继续增会产生拥塞,因此拥塞控制机制显得尤为重要。 大负载量,网络的吞吐量甚至会下降到零,网络出现死锁。 网络拥塞的原因是多方面的。简单地提升网络资源往往会 2 TCP/IP 协议的网络拥塞分析 造成资源的严重浪费,而解决不了网络拥塞的问,有时一 个环节的拥塞会触发多个其它环节的拥塞。例如,如果一个 当网络中存在过多的数据包时,网络的性能就会下降, 路由器没有足够的缓存,它就会丢弃一些新到的分组。但当这种现象称为拥塞。 分组被丢弃时,发送这一分组的相邻路由器就会重传这一 理想的拥塞控制 分组,可能还要重传多次。发送端在未收到确认之前必须保 量 实际的拥塞控制 吐 留所发分组的副本以便重传。无拥塞控制吞 死锁 3 拥塞控制机制 负载轻度拥塞 拥塞 拥塞控制机制是确保 Internet 鲁棒性的重要因素。在端 图 1 网络拥塞 到端拥塞控制中,根据算法的实现位置可以将拥塞控制算 法分为两大类,链路算法和源算法。链路算法在网络设备 图 1 中的横坐标表示网络负载,即单位时间内输入给 ,如路由器和交换机,中使用,作用是检测网络拥塞的发生, 网络的分组数目。纵坐标是吞吐量,即单位时间内从网络输 收稿日期, 2008-06-20 作者简介, 王惠娟,1973-,,女,助理工程师,从事电力通信工程工作。 《宁夏电力》2008 年增刊 浅谈网络延迟原理与拥塞控制 产生拥塞的反馈信息,源算法在主机和网络边缘设备中使 塞控制。仅仅依靠源端的流量控制很难为网络用户提供良 用,作用是根据反馈信息调整发送速率。好的服务质量保证。增强中间节点,路由器,的功能是一种 根据控制参数来分,拥塞控制算法可分成两类,基于窗 有效的手段,显示拥塞标既是对网络中间节点功能的一种 口和基于速率。基于窗口的拥塞控制算法在端系统维护拥 TCP的性能 ,改变了用丢包的方式反馈网扩展,也影响着 塞窗口,通过拥塞窗口来控制未应答分组的数量,发送一个 络拥塞,而采用路由器标记功能提高了有效吞吐量。此外, 数据分组会占用拥塞窗口的一部分,收到一个分组的应答 中间节点上的队列管理、不恰当的队列管理算法可能造成 后会释放占用的部分,拥塞窗口有空闲时,发送端可以继续 TCP连接的全局同步 、队列长时间处于满状态、处理突发业 务时存在公平性的问题,因此针对主动队列管理算法的研 发送数据,没有拥塞时,增加拥塞窗口,拥塞发生时减小拥 塞窗口。基于速率的拥塞控制算法还可分成基于探测和基 究成为拥塞控制研究的热点。 于模型两种。基于探测的方法是发送端通过发送速率的调 整来探测网络带宽,通常采用 AIMD方法 。由于这种码率控4 拥塞避免 制总是在试图调整带宽,因此可以将包丢失率控制在可以 接受的范围之内。传统的探测方法是根据包的丢失率来衡 拥塞避免是预防策略,它的目的是使网络运行在拥塞 避免区附近,避免网络拥塞发生,使网络运行在高吞吐量、量网络的状况,但是,实验表明,包的丢失率并不能很好的 体现网络状况,而根据 RTT 的大小能较早地反映出网络所 低延迟的状态。拥塞避免主要可分为慢启动阶段、拥塞避免 发生的拥塞,因此有文献研究基于 RTT 的自适应拥塞控阶段、快速重传和快速恢复阶段等三个过程。分别如图 2、 制。基于模型的方法是利用 TCP连接的吞吐量模型 ,根据 图 3 所示。 4.1 慢启动阶段测量的网络参数计算出应该的发送速率,再适当地增减当 前的码率。基于 TCP的拥塞控制在源算法方面 ,自1988 年早期开发的 TCP应用在启动一个连接时 会向网络中 Jacobson提出了 TCP端对端的基于 窗口的拥塞控制算法以 发送大量的数据包,这样很容易导致路由器缓存空间耗尽, 来,TCP的流量控制算法 已经过了 Tahoe、Reno、New Ren、o 网络发生拥塞,使得 TCP连接的吞吐量急剧下 降。避免这SACK等版本的改进 和增强,所有的这些工作都将注意力 种情况发生的算法就是慢启动。当建立新的 TCP连接时 , 拥塞窗口,cwnd,初始化为一个数据包大。小源端按 cwnd 集中在终端系统上。这些算法中采用了慢启动、拥塞避免、 快速重传、快速恢复、选择性应答等机制,大大提高了网络 大小发送数据,每收到一个 ACK 确认,cwnd就增加一个 数传输的性能。 据包发送量,这样 cwnd就将随着回路响应时 间(RTT) 呈指 数级增长。源端向网络发送的数据量将急剧增加。 目前,源算法方面的研究热点包括,对“慢启动”过 程的 4.2 拥塞避免阶段 改进,基于速率的控制策略,ACK 过滤,减少不必要的当发现超时或收到 3 个相同 ACK确认帧时 ,网络发生 超 时重传和快速重传,TCP- Friendly的拥 “”“”了拥塞。此时就进入拥塞避免阶段。慢启动阈值被设置为当 塞控制,在特殊 前拥塞窗口大小的一半,如果超时,拥塞窗口被置1。 如果 拥塞窗口 网络环境,如无线链路、卫星链路和非对称链路等,中的拥此时 cwnd? ssthresh,TCP就重新进入慢启动过程,如果 超时cwnd cwnd> ssthresh,TCP就执行拥塞避 免算法,此时,cwnd在 每次收到一个 ACK时只增加 1 /cwnd个数据包 ,这样,在一拥塞避免 cwnd/2 个 RTT 内,cwnd将增加 1,所以在拥塞避免阶段,cwnd 不是 慢启动 呈指数增长,而是线性增长。 4.3 快速重传和快速恢复阶段时间 当数据包超时,cwnd被置 为 1,重新进入慢启动,这会 图 2 慢启动和拥塞避免导致过大地减少发送窗口尺寸,降低TCP 连接的吞吐量 。 拥塞 所以快速重传和恢复就是当 TCP源端收 到 3 个或 3 个以 窗口 上重复的 ACK 时,就认为数据包己丢失,重传数据包,而 拥塞避免及快 不必等待 RTO超时, 同时将 ssthresh置为当 前 cwnd值 的 速重传和恢复 一半。 以下是慢启动和拥塞避免的算法, 慢启动 初始化,win, min (cwnd,awin) cwnd, 1 Ssthresh, 65535byte,s缺省值,,时间 ,下转第 136页 ,图 3 快速重传和快速恢复 120 ?? 《宁夏电力》2008 年增刊 直流仪器智能化检测系统的研究开发与应用 -610×10,视为均匀分布,k= ,则3 姨 8 测试数据及比对结果 -6-6u,10 ×10/ ,5.77×103 姨 3 该分量不可靠度为 20%,自由度 ν,12用该测量系统 检 定 1 台 ZX71 宽范围电阻箱和 1 套 3 BZ3 型电阻,测得数据与高一级的计量单位,中国计量 7.4.4 开关热电势引入的不确定度u 4 本装置所采用的低热电势开关的可变热电势和可变接 科学研究院,检定数据进行比较,比对结果符合国家计量标 -6 准考核规范 JJG1033-1992 的要求。表明用上述测试系统和触电势约为0.1μV,对应的相对误差为1 0×10,视为均匀分 检定方法进行直流仪器,电桥、电阻箱、标准电阻,的检定工 布,k= ,则3 姨 66--作是正确可行的。 u,10 ×10/ ,5.77×103 姨 4 该分量不可靠度为 20%,自由度 ν,12 4 7.4.5 重复测量引入的不确定度u 59 系统评价 6-经重复测量 10 次计算标准偏差 S,8.0×10,测量结果 取一次读数,则由重复测量引入的不确定度分量 u,S,8.0× 如上述,此套直流仪器智能化检定装置以及其检定方法 56- 10,自由度 ν,9。从理论和测试比对结果来看,都是完全符合JJG12 -51986 5 标准电阻测量装置标准不确定度见表3。 直流电桥国家计量检定规程JJG98,22003 直流电阻箱国 - 7.5 合成标准不确定度 uc家计量检定规程,JJG16693 直流标准电阻器计量检定规 - 以上各分量互不相关,则 程,JJF1033-2001 计量标准考核规范,JJF1095-1999 测量 2 2 2 2 2 5 - 不确定度评定与表示。该检测系统完全能够开展直流电桥、u, ,u,u,u,u,1.55×10u 姨1 2 3 4 5 c 7.6 扩展不确定度电阻箱、标准电阻的智能化、半自动化检定工作。它是工程 4 4 有效自由度,ν= u/?(u/ν)=88 院计量专业新测试技术研究开发的成功应用,标志着我院 eff c i i 由自由度 ν,置信概率 95%,查t 分布表,得置信因子 省级直流仪器进入了自动化、智能化检测,也代表了直流仪 eff-5 k=2.01,扩展不确定度为,U,ku,3.1×10 器计量工作的发展方向。这套测试系统的研究开发无论从c 测试技术还是从经济效益和发展方向来看都是成功的。 ,上接第 120 页, 当新确认包 ACK到 达时,执行以下算法, } for every arrived packets step2,重传丢失的分组 if cwnd,ssthresh step3,此后每收到一个重复的 ACK确认时 ,cwnd,= l cwnd+= 1; step4,当收到对新发送数据的ACK 确 认 时 ,cwnd = */ /* 慢启动 else ssthresh,这个 ACK能够对那些在丢失的分组 之后,第一个 cwnd+= MSS*MSS/cwnd; 重复 ACK之前发送的所有包进行确认 。 /* 拥塞避免 */ 当检测到丢包时,发送方执行以下操作, ssthresh= max (min (cwnd/2,awnd ),2);5 结束语 如果检测到定时器超时, cwnd=1: 拥塞会严重影响网络的性能,严重时甚至使网络的吞 其中 MSS为发送方的最大报文段长度 。吐量下降到零,网络出现死锁。通过采用拥塞避免策略,能 快速恢复和快速重传算法描述:够使网络运行在拥塞避免区附近,避免网络拥塞发生,使网 step1,If 络运行在高吞吐量、低延迟的状态,从而可以防止网络拥塞 (dupacks=3){ Ssthresh= 的发生。 max(2,cwnd/2,) cwnd=ssthresh+3*segsiz, e 136 ??