计算机网络中的拥塞控制和流量控制

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1、学习计划o 计算机网络的拥塞控制与流量控制 o 服务质量QoS o 移动IP技术 o 移动自组网络技术 o 无线传感器网络 o 无线Mesh网络 o 网络安全计算机网络的拥塞控制与流量控制o 随着互联网规模和互联网应用的快速增长， 网络拥塞和数据冲突问题已经引起了人们的 密切关注。拥塞控制技术和流量控制技术成 为网络控制中的核心技术。 o 在拥塞控制中，主要涉及传输层的TCP拥塞 控制技术以及路由器的队列管理与调度技术 。 o 在流量控制技术方面主要介绍TCP流量控制 技术以及数据链路层的流量控制技术。服务质量QoSo QoS(Quality of Service)，服务质量。它是指网 络提供

2、更高优先服务的一种能力。一般而言，服务 质量是指网络组件(如应用程序、终端计算机或路 由器)所能够提供当信息在网络传递时保障其相关 特性的能力。对于不同的应用，所需的服务品质特 性亦不相同，目前关于服务品质的实现方式有二种 基本型态：资源保留(Resource reservation)与 优先等级化(Prioritization)。 o QoS路由算法设计 移动IP技术o 自20世纪后期以来，无线移动通讯技术和有线 Internet技术都取得了飞速的发展，而且两个技术 不断的融合，并最终演进为下一代移动Internet。 下一代移动Internet能够很好地支持终端的移动性 ，并且对对媒体业务

3、提供了完善的服务质量的保证 。 o IP技术以其简洁高效等多方面优点，成为整合有线 网络和无线网络的统一的框架协议。移动IP技术是 对IP移动支持功能的扩充，促使了TCP/IP向无线 移动领域的拓展，构成了未来全IP有线无线一体化 融合的基础。 o 重点介绍移动IPv4协议和IPv6协议的基本技术无线自组网络技术o无线自组网是一个多跳的临时性自治系统，无线Ad Hoc技术被 提出的一个最大的目的就是实现网络终端在移动过程中随着网 络拓扑结构的变化而不至于中断通讯。 o无线Ad Hoc技术的主要特点:不需要固定基础设施支撑，不需要预先配置主机，能够在任何 时间、任何地点快速组建起一个移动通讯网络

4、；节点可以任意 移动，网络拓扑结构动态变化；没有专用的固定基站或路由操 作作为网络的管理中心，网络中的每个节点都兼有主机和路由 器的功能；节点间以对等的方式进行通讯，具有较高的协作性 ；网络的路由协议采用分布式的控制方式，比中心结构的网络 具有更强的鲁棒性和抗毁性。 重点介绍网络拓扑结构动态变化时如何更有效的路由、拓扑发现和 管理。无线传感器网络o 微电子技术、计算技术和无线通讯等技术的进步， 推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微 小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信 等多种功能。传感器节点 o 无线传感器网络:就是由部署在检测区域内大量的 廉价微型传感器节点组成，通过无线通讯

5、的方式形 成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地 感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息 ，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构 成了传感器网络的三个要素。 o 重点研究网络拓扑控制、网络协议以及数据融合和 数据管理技术下一代无线因特网技术：无线Mesh网络o 无线无线Mesh网络是一种新型的无线网络结构， 一种高容量、高速率的分布式网络，他与传统的无 线网络有很大的差别。在网络拓扑结构上。无线 Mesh网络与移动Ad hoc网络相似，但是网络上大 部分节点基本静止不移动，不用电池作为动力，拓 扑变化小；在单挑接入上，无线Mesh网络可以看 做是一中特殊的无线局域网。无线Me

6、sh网络节点 的主要业务来往于因特网网关的业务。 o 由于具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投 资成本，无线Mesh网络作为倚重可以解决无线接 入“最后一公里”瓶颈问题的新的方案，被写入到 IEEE 802.16无线城域网标准之中。网络安全o 重点介绍主动防御策略。计算机网络中的 拥塞控制与流量控制夏玮o 网络拥塞控制和流量控制的基础 o TCP拥塞控制与流量控制 o 路由器中的队列管理 o 数据链路层流量控制和媒体访问控制网络拥塞控制和流量控制的基础o 网络拥塞控制和流量控制的背景知识 o 拥塞控制和流量控制措施 o 拥塞控制和流量控制的有效性评价o 端到端拥塞控制是目前Internet

7、的一个研究热点. 在最初的TCP协议中只有流控制(flow control)而 没有拥塞控制,接收端利用TCP报头将接收能力通 知发送端.这样的控制机制只考虑了接收端的接收 能力,而没有考虑网络的传输能力,导致了网络崩溃 (congestion collapse)的发生. o 1986年10月,由于拥塞崩溃的发生,美国LBL(美国 劳伦斯伯克利实验室)到UC Berkeley（加州大学 伯克利分校）的数据吞吐量从32Kbps跌落到 40bps.在那之后,拥塞控制领域开展了大量的研究 工作.拥塞控制算法对保证Internet的稳定具有十 分重要的作用. o 网络中的拥塞来源于网络资源和网络流量分

8、 布的不均衡性.拥塞不会随着网络处理能力 的提高而消除.拥塞控制算法的分布性、网 络的复杂性和对拥塞控制算法的性能要求又 使拥塞控制算法的设计具有很高的难度.到 目前为止,拥塞问题还没有得到很好的解决. 网络拥塞（Congestion）的含义o 网络拥塞：指的是在分组交换网络中传送分 组的数目太多时，由于存储转发节点的资源 有限而造成网络性能下降的情况。 在网络发生拥塞时，一般会出现数据丢失、时 延加大、吞吐量下降，严重的时候甚至会导 致“拥塞崩溃”（ Congestion collapse） 现象。拥塞崩溃主要包括：o 传统的崩溃 o 未传送数据包导致崩溃 o 由于数据包分段导致的崩溃 o

9、日益增长的控制信息流造成的崩溃。一般拥塞发生在网络负载增加导致网络效率降低时 。拥塞的一种极端的情况是死锁（Deadlock） 致使网络无法工作，退出死锁往往需要网络复位操作 。o当网络负载较小时，吞吐量 随着负载的增加而增长，呈 线性关系，响应时间增长缓 慢； o当负载达到网络网络容量时 ，吞吐量呈现缓慢增长，响 应时间急剧增加，这一点称 为knee(膝点)； o如果负载继续增加，路由器 开始丢包，当负载超过一定 量时，吞吐量急剧下降，这 一点称为cliff（崖点） 可以看出负载在Knee附近时网络 的使用效率最高o 拥塞控制算法包含拥塞避免(congestion avoidance)和拥塞

10、控制(congestion control)这两种不同的机制。 o 拥塞避免的目的是使网络运行在Knee附近 ，避免拥塞的发生使网络运行在高吞吐量、 低延迟的状态下. 拥塞控制是“恢复”机制,它用于把网络从拥塞 状态中恢复出来，进入正常的运行状态;Internet的网络模型o 拥塞现象的发生和Internet的设计机制有密 切的联系：Internet的最初设计是面向无连 接的分组交换网络，所有业务的分组被不加 区分地在网络上传输。网络能够出的唯一承 诺就是尽自己最大的努力传输进入网络的每 一个分组，但是他无法给出一个性能指标。互联网的网络模型可以用一下几点来抽象：o 分组交换（packet-s

11、witched）网络与电路交换（circuit-switched）网络相比 ，分组交换通过共享提高了资源的利用率。 但是在共享方式下，如何保证用户的服务质 量是一个棘手的问题。在分组交换的过程中 可能会出现分组乱序的现象，对乱序分组的 处理增加了系统的复杂性。o 无连接网络（connectionless） Internet的节点之间在发送数据之前不需要建立连接. 无连接模型简化了网络的设计,在网络的中间节点 上不需要保存和连接有关的状态信息.但是使用无 连接模型难以引入“接纳控制”(admission control)算法,在用户需求大于网络资源时难以保 证服务质量;在无连接模型中对数据发送源

12、的追踪 能力很差,给网络的安全带来了隐患;无连接也是网 络中乱序报文出现的一个主要原因. o 尽力而为（best-effort）的服务模型. best-effort即网络不对数据传输的服务质量提供保证 .这个选择和早期网络中的应用有关.传统的网络应 用主要是FTP,Telnet,SMTP等,它们对网络性能(带 宽、延迟、丢失率等)的变化不敏感,best-effort模 型可以满足需要.但best-effort模型不能很好地满 足新出现的多媒体应用的要求,这些应用对延迟、 速率等性能的变化比较敏感.这要求网络在原有服 务模型的基础上进行扩充. Internet中拥塞发生的原因 o 拥塞发生的原因

13、是“需求”大于“供给”.网络中有限的 资源由多个用户共享使用.由于没有“接纳控制”算法 ,网络无法根据资源的情况限制用户的数量;缺乏中 央控制,网络也无法控制用户使用资源的数量.目前 ,Internet上用户和应用的数量都在迅速增长,如果 不使用某种机制协调资源的使用,必然会导致网络 拥塞.虽然拥塞源于资源短缺,但增加资源并不能避 免拥塞的发生,有时甚至会加重拥塞程度。例如,增 加网关缓冲会增大报文通过网关的延迟,如果总延 迟超过端系统重传时钟的值,就会导致报文重传,反 而加重了拥塞. o 拥塞总是发生在网络中资源“相对”短缺的位 置.拥塞发生位置的不均衡反映了Internet 的不均衡性.o

14、 首先是资源分布的不均 衡.图 (a)中带宽的分布 是不均衡的,当以1Mb/s 的速率从S向D发送数据 时,在网关R会发生拥塞. 其次是流量分布的不均 衡.图b中带宽的分布是 均衡的,当A和B都以 1Mb/s的速率向C发送 数据时,在网关R也会发 生拥塞.o Internet中资源和流量分布的不均衡都是广泛存在的, 由此导致的拥塞不能使用增加资源的方法解决.因为网 络拥塞本身是一个动态的问题，不能只靠静态的方式来 解决，而需要适当的协议能够在网络出现拥塞时保护网 络正常运行产生拥塞的主要原因：o 存储空间不足：当一个输出端口收到几个输 入端口的报文时，接收的报文就会在这个端 口的缓冲区中排队。

15、如果输出端口没有足够 的存储空间，当缓冲区占满时，报文就会被 丢失，对于突发的数据流更是如此。适当地 增加存储空间在某种程度上会缓解拥塞，当 时过于增加存储空间，报文会因为在缓冲区 内排队太长而超时，远端会认为他已经被丢 弃而选择了重发，从而浪费了网络资源，进 一步加重了网络拥塞。产生拥塞的主要原因带宽容量不足。高速数据流通过低速链路时也会产生 拥塞。根据香农信息理论，任何信道带宽最大值及 信道容量所以节点接收数据的速率不许小于或者等于信道容量 ，才有可能避免拥塞。否则，接受的报文在节点的 缓冲区排队，在缓冲区占满时，报文被丢弃，导致 网络拥塞。因此，网络中的低速链路将成为带宽的 瓶颈和拥塞产

16、生的重要原因之一产生拥塞的主要原因o CPU处理数据慢。如果节点在执行缓冲区中 排队、选择路由时，CPU处理的速度跟不上 链路速度时，也会导致拥塞。 o 不合理的网络拓扑结构和路由选择，也会导 致网络拥塞。流量控制的含义o 如果发送端发送的数据过多或者数据发送速 率过快，导致接收端来不及处理，则会造成 数据在接收端丢失。为了避免这种现象的发 生，通常的处理办法就是采用流量控制，即 控制发送端发送的数据量以及数据发送速率 。使其不超过接收端的承受能力，这个能力 主要指接收端的缓存和数据处理速度。流量控制工作原理o 局域网上的主机H1通过链路向主机H2发送数据， 连接H1和H2的链路带宽为1.5Mbit/s.假定现在 H1向H2传送的是实时音频数据。而主机H2的数据 接收处的处理速率是1Mbit/s，此时，H1通过链路 发送来的数据就会在H2端发生拥塞，到达H2的实 时音频分组就会被丢弃或者延时处理。 o 为了避免上述现象的发生，可以采取措施限制 H1 的发送速率，使其不超过1Mbit/s，或者扩大H2的 接收缓存，这样就不会超过H2的接收能力，从而