控流量 防擁塞

包駿

隨著Internet本身規(guī)模的迅速擴(kuò)大、Internet用戶數(shù)的劇增，以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類型的快速增加，網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷越來越多的包丟失和其他的性能惡化問題，其中一個比較嚴(yán)重的現(xiàn)象就是網(wǎng)絡(luò)擁塞。造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因很多，主要有存儲空間不足、帶寬容量不足、處理器處理能力弱、TCP/IP協(xié)議擁塞控制機(jī)制中的缺陷、用戶的惡意攻擊等。 在當(dāng)前的Internet中，既然網(wǎng)絡(luò)擁塞是無法避免的，就必須采取積極主動的策略控制和避免擁塞，把擁塞發(fā)生的可能性降到最低，即使在發(fā)生擁塞后也能及時地恢復(fù)到正常運行狀態(tài)；同時擁塞控制也必須保證網(wǎng)絡(luò)效率。因此，網(wǎng)絡(luò)擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改善性能、提高服務(wù)質(zhì)量的主要手段。

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量的控制

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量控制用于防止在端口阻塞的情況下丟幀，這種方法是當(dāng)發(fā)送或接收緩沖區(qū)開始溢出時通過將阻塞信號發(fā)送回源地址實現(xiàn)的。流量控制可以有效地防止由于網(wǎng)絡(luò)中瞬間的大量數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶來的沖擊，保證用戶網(wǎng)絡(luò)高效而穩(wěn)定的運行。

兩種流量控制方式

在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中有兩種流量控制方式，它們分別是半雙工方式和全雙工方式。在半雙工方式下，流量控制是通過反向壓力，即通常說的背壓計數(shù)實現(xiàn)的，這種計數(shù)是通過向發(fā)送源發(fā)送jamming信號使得信息源降低發(fā)送速度。在全雙工方式下，流量控制一般遵循IEEE.802.3X標(biāo)準(zhǔn)，是由交換機(jī)向信息源發(fā)送“pause”幀令其暫停發(fā)送。采用流量控制，使傳送和接受節(jié)點間數(shù)據(jù)流量得到控制，可以防止數(shù)據(jù)包丟失。

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測目的

網(wǎng)絡(luò)測量的直接目的是獲取與網(wǎng)絡(luò)運行有關(guān)的流量數(shù)據(jù)，而這些流量數(shù)據(jù)最終將服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)工程的各個方面。從總體上說，可以包括流量描述、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和流量控制三個方面。

流量描述的任務(wù)之一是識別流量的模式，尤其是峰值流量的模式，以及這些模式的變化。同時，對流量模式的分析應(yīng)該具有多個時間尺度。其次，分析網(wǎng)絡(luò)流量在網(wǎng)絡(luò)上的分布也很重要。流量分布可以使基于一些對象的：流、網(wǎng)絡(luò)接口、鏈路、節(jié)點、節(jié)點對、路徑或者目標(biāo)節(jié)點。第三，流量描述還應(yīng)該根據(jù)不同的路由器和網(wǎng)絡(luò)上不同服務(wù)類型數(shù)據(jù)的表現(xiàn)來預(yù)測未來的流量負(fù)載。第四，從長遠(yuǎn)來看，對流量模式的研究可以預(yù)測流量的變化趨勢，從而對未來協(xié)議的設(shè)計等工作提供指導(dǎo)。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測是網(wǎng)絡(luò)測量領(lǐng)域很重要的一部分。對于某些對可靠性要求很高的網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控本身就是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)不可分割的一部分。首先，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測可以自監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)目前的運行狀態(tài)，找出錯誤的或者可能導(dǎo)致錯誤的設(shè)備或者操作。一般用戶在使用網(wǎng)絡(luò)時，都知道用ping或者traceroute等命令來監(jiān)測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，其實這本身就是一種網(wǎng)絡(luò)測量行為。其次，由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的多樣化，服務(wù)質(zhì)量的控制越來越重要了。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測可以監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和連續(xù)性，可以保證服務(wù)質(zhì)量或服務(wù)等級得到有效地執(zhí)行，可以對某個特定的服務(wù)提供性能上的監(jiān)控。第三，隨著MPLS等具有網(wǎng)絡(luò)流量工程功能的路由協(xié)議的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控可以用來監(jiān)測流量工程策略的有效性，同時可以在網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)達(dá)到閥值的時候激活相應(yīng)的策略。第四，ISP為用戶提供Internet服務(wù)都不是獨立的，不同的ISP之間需要按照某種協(xié)議互相協(xié)作，以便為用戶提供最好的服務(wù)。因此網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控還擔(dān)負(fù)起了在邊界路由器監(jiān)控不同服務(wù)提供商之間的流量的任務(wù)。這一任務(wù)包括對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和網(wǎng)絡(luò)之間流量的交換進(jìn)行估計，以及服務(wù)提供商之間各式各樣的流量交換提供服務(wù)。

互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量擁塞控制

擁塞現(xiàn)象是指到達(dá)通信子網(wǎng)中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理，以致引起這部分乃至整個網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。這就好比是公路網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常所見的交通擁擠，當(dāng)假日公路網(wǎng)中車輛大量增加時，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達(dá)目的地的時間都相對增加，即延遲增加，甚至有時在某段公路上車輛因堵塞而無法開動，即發(fā)生局部死鎖。

發(fā)生擁塞的原因

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與通信子網(wǎng)負(fù)荷，即通信子網(wǎng)中正在傳輸?shù)姆纸M數(shù)，有著密切的關(guān)系。當(dāng)通信子網(wǎng)負(fù)荷比較小時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量（分組數(shù)/秒）隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷（每個節(jié)點中分組的平均數(shù)）的增加而線性增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加到某一值后，弱網(wǎng)絡(luò)吞吐量反而下降，則表征網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象。

在一個出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)中，達(dá)到某個節(jié)點的分組將會遇到無緩沖區(qū)可用的情況，從而使這些分組不得不由前一個節(jié)點重傳，或者需要由源節(jié)點或源端系統(tǒng)重傳。當(dāng)擁塞比較嚴(yán)重時，通信子網(wǎng)中相當(dāng)多的傳輸能力和節(jié)點緩沖器都用于這種無謂的重傳，從而使通信子網(wǎng)的有效吞吐量下降。由此引起惡性循環(huán)，使通信子網(wǎng)的局部甚至全部處于死鎖狀態(tài)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量接近為零。

擁塞控制的方法

緩沖區(qū)預(yù)分配法。該法用于虛電路分組交換網(wǎng)中。在建立虛電路時，讓呼叫請求分組途經(jīng)的節(jié)點為虛電路預(yù)先分配一個或多個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若某個節(jié)點緩沖器已被占滿，則呼叫請求分組另擇路由，或者返回一個“忙”信號給呼叫者。這樣，通過途經(jīng)的各節(jié)點為每條虛電路開設(shè)的永久性緩沖區(qū)（直到虛電路拆除），就總能有空間來接納并轉(zhuǎn)送經(jīng)過的分組。此時的分組交換跟電路交換很相似。當(dāng)節(jié)點收到一個分組并將它轉(zhuǎn)發(fā)出去之后，該節(jié)點向發(fā)送節(jié)點返回一個確認(rèn)信息。該確認(rèn)一方面表示接收節(jié)點已正確收到分組，另一方面告訴發(fā)送節(jié)點，該節(jié)點已空出緩沖區(qū)以備接收下一個分組。上面是“停一等”協(xié)議下的情況，若節(jié)點之間的協(xié)議允許多個未處理的分組存在，則為了完全消除擁塞的可能性，每個節(jié)點要為每條虛電路保留等價于窗口大小數(shù)量的緩沖區(qū)。這種方法不管有沒有通信量，都有可觀的資源（線路容量或存儲空間）被某個連接占有，因此網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用率不高。這種控制方法主要用于要求高帶寬和低延遲的場合，例如傳送數(shù)字化語音信息的虛電路。

分組丟棄法。該法不必預(yù)先保留緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)占滿時，將到來的分組丟棄。若通信子網(wǎng)提供的是數(shù)據(jù)報服務(wù)，則用分組丟棄法來防止擁塞發(fā)生不會引起大的影響。但若通信子網(wǎng)提供的是虛電路服務(wù)，則必須在某處保存被丟棄分組的備份，以便擁塞解決后能重新傳送。因此有兩種解決被丟棄分組重發(fā)的方法，一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點超時，并重新發(fā)送分組直至分組被收到；另一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點在嘗試一定次數(shù)后放棄發(fā)送，并迫使數(shù)據(jù)源節(jié)點超時而重新開始發(fā)送。但是不加分辨地隨意丟棄分組也不妥，因為一個包含確認(rèn)信息的分組可以釋放節(jié)點的緩沖區(qū)，若因節(jié)點元空余緩沖區(qū)來接收含確認(rèn)信息的分組，這便使節(jié)點緩沖區(qū)失去了一次釋放的機(jī)會。解決這個問題的方法可以為每條輸入鏈路永久地保留一塊緩沖區(qū)，以用于接納并檢測所有進(jìn)入的分組，對于捎帶確認(rèn)信息的分組，在利用了所捎帶的確認(rèn)釋放緩沖區(qū)后，再將該分組丟棄或?qū)⒃撋訋Ш孟⒌姆纸M保存在剛空出的緩沖區(qū)中。

定額控制法。這種方法在通信子網(wǎng)中設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的稱作“許可證”的特殊信息，一部分許可證在通信子網(wǎng)開始工作前預(yù)先以某種策略分配給各個源節(jié)點，另一部分則在子網(wǎng)開始工作后在網(wǎng)中四處環(huán)游。當(dāng)源節(jié)點要發(fā)送來自源端系統(tǒng)的分組時，它必須首先擁有許可證，并且每發(fā)送一個分組注銷一張許可證。目的節(jié)點方則每收到一個分組并將其遞交給目的端系統(tǒng)后，便生成一張許可證，這樣便可確保子網(wǎng)中分組數(shù)不會超過許可證的數(shù)量，從而防止了擁塞的發(fā)生。endprint