第五章 網絡層(5.3-5.4)

1、5.3 擁塞控制n阻塞現(xiàn)象是指到達通信子網中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分乃至整個網絡性能下降的現(xiàn)象，嚴重時甚至會導致網絡通信業(yè)務陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。 5.3 擁塞控制n網絡的吞吐量(分組數(shù)/秒)與通信子網負荷(即通信子網中正在傳輸?shù)姆纸M數(shù))有著密切的關系。n當通信子網負荷比較小時，網絡的吞吐量隨網絡負荷(每個節(jié)點中分組的平均數(shù))的增加而線性增加。n當網絡負荷增加到某一值后，若網絡吞吐量反而下降，則表征網絡中出現(xiàn)了阻塞現(xiàn)象。n在一個出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象的網絡中，到達某個節(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節(jié)點重傳，或者需要由源節(jié)點或源

2、端系統(tǒng)重傳，從而使通信子網的有效吞吐量下降。n由此引起惡性循環(huán)，使通信子網的局部甚至全部處于死鎖狀態(tài)，最終導致網絡有效吞吐量接近為零。 5.3 擁塞控制當通信量太大時當通信量太大時,會發(fā)生擁塞會發(fā)生擁塞,性能顯著降低性能顯著降低.發(fā)送的分組發(fā)送的分組提提交交的的分分組組子網的最大子網的最大傳輸容量傳輸容量完美的完美的理想的理想的擁塞的擁塞的5.3.1 擁塞發(fā)生的原因n（1）多條流入線路有分組到達，并需要同一輸出線路，此時，如果路由器沒有足夠的內存來存放所有這些分組，那么有的分組就會丟失。 n（2）路由器的慢速處理器的緣故，以至于難以完成必要的處理工作，如緩沖區(qū)排隊、更新路由表等。 那么，即使有

3、多余的線路容量，分組也需要進入到隊列之中。5.3.1 擁塞發(fā)生的原因n擁塞控制和流控制之間的差異n擁塞控制的任務是確保子網能夠承載所到達的流量。n這是一個全局性的問題，涉及各方面的行為，包括所有的主機、所有的路由器、路由器內部的存儲-轉發(fā)處理過程，以及所有可能會削弱子網承載容量的其它因素。n流控制只與特定的發(fā)送方和特定的接收方之間的點對點流量有關。它的任務是，確保一個快速的發(fā)送方不會持續(xù)地以超過接收方能力的速率傳輸數(shù)據(jù)。n通常涉及的做法是接收方向發(fā)送方提供某種直接的反饋，以便告訴發(fā)送方另一端的情形到底怎么樣。5.3.1 擁塞發(fā)生的原因5.3.2 擁塞控制的通用原則n擁塞控制問題可以從控制論角度

4、來看待，解決的方案可以分為兩類：開環(huán)的和閉環(huán)的。n有兩種思路 防患未然 亡羊補牢nOpen loop（開環(huán)方法） 試圖采用良好的設計來解決問題，本質是從一開始就保證不會發(fā)生擁塞問題。 一旦網絡系統(tǒng)啟動運行起來，就不需要中途做修正。 nClosed loop（閉環(huán)方法） 基于反饋環(huán)路的概念基礎之上： 顯式反饋 隱式反饋5.3.2 擁塞控制的通用原則n完成開環(huán)控制的手段有：確定何時接受新的流量、確定何時丟棄分組及丟棄哪些分組，以及在網絡的不同點上執(zhí)行調度決策。n所有手段的共同之處是：它們在作出決定的時候不考慮網絡的當前狀態(tài)。n開環(huán)算法可以分成在源端采取動作還是在目的端采取動作兩類算法。 5.3.2

5、 擁塞控制的通用原則n閉環(huán)方案建立在反饋環(huán)路上的概念基礎之上，當這種方法用于擁塞控制的時候，它有三個部分：n監(jiān)視系統(tǒng)，檢測到何時何地發(fā)生了擁塞；n將該信息傳遞到能夠采取行動的地方；n調正系統(tǒng)的運行，以改正問題。 5.3.2 擁塞控制的通用原則n1. 監(jiān)視系統(tǒng)，檢測是否發(fā)生擁塞n擁塞控制使用的度量標準（數(shù)值越大，擁塞的可能性也越大） 1.丟棄的分組所占的百分比（缺少緩沖區(qū)空間）2.平均隊列長度 3.超時和重傳分組的數(shù)量4.平均分組延遲和分組延遲的標準方差5.3.2 擁塞控制的通用原則n2. 將擁塞信息傳輸?shù)侥軌虿扇⌒袆拥牡胤絥擁塞信息的傳輸方法有三種1.檢測到擁塞的路由器給流量源發(fā)送一個分組，告

6、知擁塞的發(fā)生； 2.在分組中增加一個位或一個域，檢測到擁塞時，路由器填充該位，在它所有的輸出分組中填充該域，以告警它的鄰居；3.主機或路由器周期性地向外發(fā)送探詢分組，顯示地詢問有關擁塞狀況，然后在有問題的區(qū)域中，可以利用這些信息來路由流量。 5.3.2 擁塞控制的通用原則n3. 調整系統(tǒng)的運行，以改正問題n分成顯式反饋和隱式反饋1.在顯式反饋算法中，從擁塞點向源端發(fā)送分組以警告源端。2.在隱式反饋算法中，源端利用本地觀察到的現(xiàn)象，比如確認分組送回來所需要的時間，來推斷是否存在擁塞。5.3.2 擁塞控制的通用原則n出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，一般由兩種解決方案：增加資源（帶寬），或者降低負載。n有時候增加系統(tǒng)

7、資源是不可能的。n降低負載的措施包括：拒絕為某些用戶提供服務，給某些用戶或者全部用戶降低服務等級以及讓用戶以一種更有預見性的方式來安排他們的需求。5.3.3 擁塞預防策略5.3.3 擁塞預防策略n數(shù)據(jù)流量層n重傳策略：涉及一個發(fā)送方發(fā)送分組之后多久會超時，以及超時之后重傳什么。（回退N步、選擇性重傳策略）n亂序緩存策略：在使用重傳策略時，如果接收方只是機械性地丟棄所有的亂序分組，那么，這些分組將不得不全部重傳，從而帶來額外的負載。n確認策略：如果確認消息被保存起來以便在反向流量種捎帶回去，有可能會導致額外的超時和重傳。n流控制策略：一個緊湊的流控制方案，將降低數(shù)據(jù)傳輸率，因此有助于緩解擁塞。5

8、.3.3 擁塞預防策略n網絡層n子網內部的虛電路與數(shù)據(jù)報策略：在網絡層上，選擇虛電路還是數(shù)據(jù)報也會影響到擁塞的情況，因為許多擁塞控制算法只能與虛電路子網一起工作。n分組排隊和服務策略：關系到路由器是否為每一條輸入線路使用一個隊列，是否為每一條輸出線路使用一個隊列，或者為兩者使用一個隊列。也關系到分組的處理順序。n丟棄策略：指當沒有空間的時候，指明該丟棄哪個分組的規(guī)則。5.3.3 擁塞預防策略n路由算法：好的路由算法有助于避免擁塞，它可以將流量分配到所有的線路上，而不好的路由算法則會將大量的流量分配到本身已經擁塞的線路上。n分組生存期管理策略：負責處理一個分組在被丟棄之前應該生存多長時間。n如果

9、生存期太長的話，則丟棄的分組可能會長時間地妨礙工作；n如果生存期太短的話，有可能分組在到達目的地之前就超時，從而導致重傳。5.3.3 擁塞預防策略n傳輸層n如同數(shù)據(jù)鏈路層一樣，同樣的問題也可能發(fā)生，所有也需要：重傳策略、亂序緩存策略、確認策略和流控制策略。n除此之外還需要確定超時策略：在傳輸層上確定超時時間間隔更加困難，因為跨越一個網絡的傳輸時間，要比兩臺路由器之間線路上的傳輸時間更加難以預測。n如果超時間隔太短的話，則會發(fā)送不必要的額外負擔；n如果超時間隔太長的話，則擁塞會緩解，但是一旦分組丟失，則響應時間將會增加。5.3.4 虛電路子網中的擁塞控制n虛電路子網的動態(tài)擁塞控制方法：1.防止已

10、經擁塞的子網進一步惡化的技術是準入控制（Admission Control）；2.雖然允許建立新的虛電路，但要謹慎地選擇路由，使所有新的虛電路都繞開有問題的區(qū)域；3.進行資源預留：當建立虛電路的時候，在主機和子網之間進行協(xié)商，以達成一致的約定。 為了保證約定的有效性，在建立虛電路的時候，子網往往會在沿途預留資源。5.3.4 虛電路子網中的擁塞控制5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制n每臺路由器很容易就可以監(jiān)視到它的輸出線路和其他資源使用情況。nu：取值在0.0和1.0之間，代表一條線路最近的利用率。（每當u超過特定的閥值，該輸出線路就進入了一種警告狀態(tài)）nf：線路的瞬間利用率（0或1）。n ：代

11、表路由器忘記最近的歷史情況有多快。5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制n路由器對每個新到來的分組都要進行檢查，看它的輸出線路是否處于警告狀態(tài)。n如果是的話，就需要采取以下各種措施：n警告位；n抑制分組（Chock Packet）；n逐調（Hop-by-Hop）抑制分組。 5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制n警告位n路由器n當輸出線路達到告警狀態(tài)時，路由器將發(fā)送出去的分組頭部設置告警位。 n目的地n當分組到達目的地時，告警位被復制到ACK分組中，發(fā)給源端。 n源端 n隨著帶有警告位的確認分組不斷回來時，源端不斷的降低它的傳輸速率n當帶有警告位的確認分組減少到規(guī)定值時，源端增加它的傳輸速率n由于沿途

12、的路由器都可能設置警告位，所以只有當所有的路由器都排除了問題之后，流量才能增加上去。5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制n抑制分組（Chock Packet）n路由器n路由器給源端返回一個抑制分組，并指出原分組的目標地址； n原來的分組被打上一個標記，防止沿途其他路由器又重復產生抑制分組 n源端主機 n收到抑制分組后，將發(fā)送到指定目標的流量減少X百分比 隨后到達的具有相同目的地抑制分組被忽略n一段間隔后，繼續(xù)監(jiān)聽n如果又有抑制分組，則進一步降低發(fā)送流量；n如果沒有抑制分組，則增加流量n主機可以調節(jié)流量，例如利用一個窗口，第一次可以導致流量減少到原來的 50%, 第二此可以減少到 25%. n快速

13、減少，緩慢增加5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制n逐跳（Hop-by-Hop）抑制分組n產生原因n在高速、長距離的網絡中，由于源主機響應太慢，抑制包算法對擁塞控制的效果并不好，可采用逐跳抑制分組算法。 n基本思想n抑制包對它經過的每個路由器都起作用；n能夠迅速緩解發(fā)生擁塞處的擁塞； n上游路由器要求有更多的緩沖區(qū)；5.3.5 數(shù)據(jù)報子網中的擁塞控制5.3.6 負載丟棄n當以上任何一種方法都不能消除擁塞的時候，路由器只能進行負載丟棄。n負載脫落（Load Sheding）：它是指當路由器因為來不及處理分組而被淹沒的時候，只要將這些分組丟棄即可n到底應該丟棄哪些分組，這取決于所運行的應用的類型。（

14、Wine&Milk）n為了實現(xiàn)一種智能的丟棄策略，應用程序必須在它們的分組中表明優(yōu)先級。 5.3.7 抖動控制n分組到達時間的變化量（即標準偏差）被稱為抖動（Jitter）。n路由器對抖動的控制方法 n來得晚的，加快其轉發(fā)速度；n提早到達的，讓分組在緩沖區(qū)中多逗留一會。真題n32.采用“確定超時策略”預防擁塞的網絡協(xié)議層次是_。 （全國2010年7月）n34擁塞控制的任務是確保通信子網能夠承載所到達的_。 （全國2010年4月）分組傳輸層n41簡述數(shù)據(jù)報子網中擁塞控制的措施。 （全國2010年4月）警告位；抑制分組（Chock Packet）；逐調（Hop-by-Hop）抑制分組。真題

15、n34.當網絡負荷增加到某一值后，網絡的吞吐量反而下降的現(xiàn)象稱為_。 （全國2009年7月）n32通信子網中的擁塞現(xiàn)象嚴重到導致網絡通信業(yè)務陷入停頓的現(xiàn)象稱為_。 （全國2008年7月）死鎖擁塞n 7預防擁塞的分組丟棄策略用于（） A網絡層B傳輸層 C數(shù)據(jù)鏈路層D表示層 （全國2008年4月）A真題n32當?shù)竭_通信子網的分組數(shù)量過多，導致網絡性能下降的現(xiàn)象稱為_。 （全國2008年4月）n 41簡述傳輸層中預防擁塞的主要策略。 （全國2008年4月）重傳策略亂序緩存策略確認策略流控制策略確定超時策略擁塞真題n42.試說明擁塞控制與流控制之間的差異。 （全國2010年7月）1.擁塞控制的任務是確

16、保子網能夠承載所到達的流量。 這是一個全局性的問題，涉及各方面的行為，包括所有的主機、所有的路由器、路由器內部的存儲-轉發(fā)處理過程，以及所有可能會削弱子網承載容量的其它因素。2.流控制只與特定的發(fā)送方和特定的接收方之間的點對點流量有關。它的任務是，確保一個快速的發(fā)送方不會持續(xù)地以超過接收方能力的速率傳輸數(shù)據(jù)。 通常涉及的做法是接收方向發(fā)送方提供某種直接的反饋，以便告訴發(fā)送方另一端的情形到底怎么樣。5.4 服務質量n服務質量(QoS) n流(Flow)：從源端到目的地端的分組流n服務質量的四個衡量參數(shù)n可靠性(reliability） n延遲(delay) n抖動(jitter) n帶寬(ban

17、dwidth) n不同的應用，對于各參數(shù)的嚴格程度不同。5.4 服務質量應用可靠性延遲抖動帶寬E-mailhighlowlowlow文件傳輸HighlowlowmediumWeb 訪問Highmediumlowmedium遠程登錄Highmediummediumlow音頻點播lowlowhighmedium視頻點播lowlowhighhigh電話lowhighhighlow視頻會議lowhighhighhigh5.4.1 集成服務和區(qū)分服務n集成服務n基于流的算法n針對單播或多播應用n資源預留，要求提前一步建立每個流n區(qū)分服務n基于類別的n不要求提前建立流n主要由每臺路由器在局部范圍內實現(xiàn)，不牽涉到整條路徑5.4.2 標簽交換和MPLSn標簽交換n在每個分組的前端增加一個標簽，然后根據(jù)這個標簽進行路由選擇。n做法接近虛電路的思想nMPLSnIETF對標簽