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1、/38,第 17讲 传输层（3）,/38,知识回顾,TCP可靠传输工作原理 TCP可靠传输的实现 TCP的流量控制,/38,本讲内容,理解TCP 拥塞控制 理解TCP 拥塞控制的四种算法及相互关系 了解采用随机早期丢弃 RED 进行拥塞控制 掌握TCP建立连接的三次握手 理解TCP连接的拆除,/38,TCP拥塞控制思想,当网络中存在过多的报文时，网络的性能就会相应下降，这种现象就被成为拥塞 。 发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。 拥塞控制的思想就是网络中的节点采取一定的措施来保证尽量使得网络的负载保持在Knee(拐点）位置，需要避
2、免拥塞的发生或者对拥塞的发生作出反应，使其能够再次恢复到Knee位置，从而保持网络的整体性能最大化。,/38,拥塞控制与流量控制的关系,拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。 流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。 流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。,/38,拥塞控制所起的作用,提供的负载,吞吐量,0,/38,开环控制和闭环控制,开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生
3、拥塞。 闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的有以下几种措施： 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。 调整网络系统的运行以解决出现的问题。,/38,拥塞控制算法,一般来说，拥塞控制算法包括拥塞避免和拥塞控制 拥塞避免是一种“预防”措施，维持网络的高吞吐量、低延迟状态，避免进入拥塞；拥塞控制是一种“恢复”措施，使网络从拥塞中恢复过来，重新进入高吞吐量和低延迟的状态 为了在传输层进行拥塞控制，1999年公布的互联网建议标准RFC 2581定义了四种算法，即慢开始（slow-start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快
4、重传（fast retransmit）和快恢复（fast recovery）。,/38,慢开始和拥塞避免,发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd (congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。 发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。如再考虑到接收方的接收能力，则发送窗口还可能小于拥塞窗口。 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。,/38,TCP拥塞控制两个状态量,因此，每一个 TCP 连接需要有以下两个状态变量：
5、接收端窗口 rwnd (receiver window) 又称为通知窗口(advertised window)。这是接收端根据其目前的接收缓存大小所许诺的最新的窗口值，是来自接收端的流量控制。接收端将此窗口值放在 TCP 报文的首部中的窗口字段，传送给发送端。 拥塞窗口 cwnd (congestion window)。是发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的流量控制。,/38,发送窗口的上限值,发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定： 发送窗口的上限值 Min rwnd, cwnd (7-
6、1) 当 rwnd cwnd 时，是接收端的接收能力限制发送窗口的最大值。 当 cwnd rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。,/38,慢开始算法的原理,在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段 MSS 的数值。 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口增加至多一个 MSS 的数值。 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理。,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,当 TCP 连接进行初始化时，将拥塞窗口置为 1。图中的窗口单位不使用字节而使用报文段。 慢开始门限的初始值设置为 16 个报文段，即 ssthr
7、esh = 16。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值。我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开
8、始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1，发送第一个报文段 M0。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,发送端收到 ACK1 （确认 M0，期望收到 M1）后，将 cwnd 从 1 增大到 2，于是发送端可以接着发送 M1 和 M2 两个报文段。,2,4,6,8,1
9、0,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,接收端发回 ACK2 和 ACK3。发送端每收到一个对新报文段的确认 ACK，就把发送端的拥塞窗口加 1。现在发送端的 cwnd 从 2 增大到 4，并可发送 M4 M6共 4个报文段。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开
10、始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,“乘法减小”,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,发送端每收到一个对新报文段的确认 ACK，就把发送端的拥塞窗口加 1，因此拥塞窗口 cwnd 随着传输次数按指数规律增长。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,“乘法减小”,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,当拥塞窗口 cwnd 增长到慢开始门限值 ssthresh 时（即当 cwnd = 16 时
11、），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,假定拥塞窗口的数值增长到 24 时，网络出现超时（表明网络拥塞了）。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh =
12、12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,更新后的 ssthresh 值变为 12（即发送窗口数值 24 的一半），拥塞窗口再重新设置为 1，并执行慢开始算法。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,慢开始和拥塞避免算法的实现举例,当 cwnd = 12 时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一个 MSS 的大小。,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,
13、0,0,4,8,12,16,20,24,传输次数,拥塞窗口 cwnd,ssthresh = 16,慢开始,慢开始,拥塞避免,拥塞避免,更新后的 ssthresh = 12,/38,两个原则,乘法减小（multiplicative decrease) 乘法减小“是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现一次超时（即出现一次网络拥塞），就把慢开始门限值 ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以 0.5。 当网络频繁出现拥塞时，ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注入到网络中的分组数。 加法增大（additive increase) “加法增大”是指执行拥塞避免算法后，当收到对所有报
14、文段的确认就将拥塞窗口 cwnd增加一个 MSS 大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。,/38,发送方,接收方,发送 M1,确认 M1,发送 M2M3,确认 M2M3,发送 M4M7,确认 M4M7,cwnd = 1,cwnd = 2,cwnd = 4,发送 M8M15,cwnd = 8,发送方每收到一个对新报文段的确认 （重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。,轮次 1,轮次 2,轮次 3,/38,传输轮次(transmission round),使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。 一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT。 “传输轮次”更加强调：把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字节的确认。 例如，拥塞窗口 cwnd = 4
