計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制與流量管理

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制與流量管理演講人：日期：擁塞控制概述流量管理基礎(chǔ)擁塞控制機(jī)制流量整形與速率限制技術(shù)QoS保障與區(qū)分服務(wù)策略網(wǎng)絡(luò)性能評估與優(yōu)化方法contents目錄01擁塞控制概述現(xiàn)象網(wǎng)絡(luò)資源有限流量突發(fā)路由選擇不當(dāng)擁塞現(xiàn)象及原因01020304網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲增加、數(shù)據(jù)丟失率上升、網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降等。如帶寬、緩沖區(qū)、處理器能力等。大量數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)涌入網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)致某些路徑過載。目標(biāo)避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。保持網(wǎng)絡(luò)的高吞吐量、低延遲。擁塞控制目標(biāo)與策略擁塞控制目標(biāo)與策略01實(shí)現(xiàn)資源的公平分配。02策略03開環(huán)控制：通過設(shè)計和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來預(yù)防擁塞，如合理分配帶寬、設(shè)置緩沖區(qū)大小等。04閉環(huán)控制：基于網(wǎng)絡(luò)反饋信息進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，如TCP的擁塞控制算法。03擁塞避免（CongestionAvoidance）01TCP擁塞控制算法02慢啟動（SlowStart）常見擁塞控制算法常見擁塞控制算法010203快恢復(fù)（FastRecovery）AQM（主動隊(duì)列管理）算法快重傳（FastRetransmit）RED（隨機(jī)早期檢測）常見擁塞控制算法BLUEPI（比例積分）控制等，用于管理路由器緩沖區(qū)，預(yù)防擁塞發(fā)生。常見擁塞控制算法其他算法BBR（BottleneckBandwidthandRound-trippropagationtime）DCTCP（數(shù)據(jù)中心TCP）等，針對特定場景進(jìn)行優(yōu)化。常見擁塞控制算法02流量管理基礎(chǔ)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，流量指的是單位時間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)總量，通常以比特率（bps）或數(shù)據(jù)包率（pps）來衡量。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)類型，流量可分為數(shù)據(jù)流量、語音流量和視頻流量等。流量概念及分類流量分類流量定義流量管理目標(biāo)確保網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量。流量管理原則公平性、高效性、可預(yù)測性和可控制性。流量管理目標(biāo)與原則ABCD常見流量管理技術(shù)速率限制通過限制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送速率，避免瞬間大量數(shù)據(jù)擁塞網(wǎng)絡(luò)。流量整形通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率和間隔，使流量更加平滑，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。優(yōu)先級隊(duì)列根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，將數(shù)據(jù)放入不同的隊(duì)列進(jìn)行處理，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。負(fù)載均衡將數(shù)據(jù)流分散到多個路徑上進(jìn)行傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量和可靠性。03擁塞控制機(jī)制TCP/IP協(xié)議中擁塞控制機(jī)制慢啟動（SlowStart）TCP連接初始時，發(fā)送方以較小的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，然后逐漸增加發(fā)送速率，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。擁塞避免（CongestionAvoi…當(dāng)發(fā)送方感知到網(wǎng)絡(luò)擁塞時，會降低發(fā)送速率，嘗試避免進(jìn)一步的擁塞。快重傳（FastRetransmit）接收方收到亂序數(shù)據(jù)包時會立即發(fā)送重復(fù)確認(rèn)，發(fā)送方在收到多個重復(fù)確認(rèn)后會立即重傳丟失的數(shù)據(jù)包，而不必等待超時?？旎謴?fù)（FastRecovery）在快重傳之后，發(fā)送方會進(jìn)入快恢復(fù)階段，嘗試快速恢復(fù)到正常發(fā)送速率。路由器中隊(duì)列管理及調(diào)度算法先進(jìn)先出（FIFO）數(shù)據(jù)包按照到達(dá)順序進(jìn)行排隊(duì)和處理，簡單但可能導(dǎo)致隊(duì)頭阻塞。優(yōu)先級隊(duì)列（PriorityQueui…根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進(jìn)行排隊(duì)，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。加權(quán)輪詢（WeightedRound…對不同隊(duì)列分配不同的權(quán)重，按照權(quán)重比例輪詢處理數(shù)據(jù)包。隨機(jī)早期檢測（RandomEarly…通過監(jiān)控隊(duì)列長度并隨機(jī)丟棄數(shù)據(jù)包來避免擁塞。端到端擁塞控制在通信兩端實(shí)現(xiàn)擁塞控制機(jī)制，通過調(diào)整發(fā)送速率來避免擁塞。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是可能反應(yīng)較慢。分段式擁塞控制在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)（如路由器）實(shí)現(xiàn)擁塞控制機(jī)制，通過隊(duì)列管理和調(diào)度算法來避免擁塞。優(yōu)點(diǎn)是可以更快地感知和應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)擁塞，缺點(diǎn)是需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持且實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。端到端與分段式擁塞控制比較04流量整形與速率限制技術(shù)VS令牌桶算法是一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量整形和速率限制算法，它允許突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。算法的原理是模擬一個固定容量的桶，以一定速率向桶中添加令牌。當(dāng)桶中有足夠的令牌時，數(shù)據(jù)包可以被發(fā)送；否則，數(shù)據(jù)包需要等待直到有足夠的令牌。應(yīng)用令牌桶算法廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的QoS（QualityofService，服務(wù)質(zhì)量）功能中，如路由器和交換機(jī)。它可以幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在擁塞時對數(shù)據(jù)流進(jìn)行整形，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量的優(yōu)先傳輸。原理令牌桶算法原理及應(yīng)用原理漏桶算法是另一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量整形和速率限制算法。它模擬一個底部有漏洞的桶，數(shù)據(jù)包以一定速率進(jìn)入桶中，同時桶中的數(shù)據(jù)包以固定速率流出。當(dāng)桶滿時，多余的數(shù)據(jù)包將被丟棄或排隊(duì)等待。應(yīng)用漏桶算法通常用于平滑網(wǎng)絡(luò)流量的突發(fā)，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。它在一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)中實(shí)施，如TCP的流量控制機(jī)制中就采用了類似漏桶算法的機(jī)制。漏桶算法原理及應(yīng)用優(yōu)先級隊(duì)列通過為不同類型的數(shù)據(jù)包分配不同的優(yōu)先級，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量優(yōu)先傳輸。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，優(yōu)先級隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)通?；诩訖?quán)輪詢（WRR）或嚴(yán)格優(yōu)先級隊(duì)列（SPQ）等算法。流量監(jiān)管通過對進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)管，確保它們符合預(yù)定的流量規(guī)范。這可以通過使用令牌桶或漏桶等算法來實(shí)現(xiàn)，也可以采用其他技術(shù)，如基于深度包檢測（DPI）的流量監(jiān)管。擁塞避免在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時，采取主動措施來避免進(jìn)一步的擁塞。例如，TCP協(xié)議中的慢啟動、擁塞避免、快重傳和快恢復(fù)等機(jī)制就是為了在網(wǎng)絡(luò)擁塞時調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率。其他相關(guān)整形和限制技術(shù)05QoS保障與區(qū)分服務(wù)策略QoS（QualityofService，服務(wù)質(zhì)量）是指在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，針對不同用戶或不同數(shù)據(jù)流提供不同優(yōu)先級和傳輸性能保證的一種服務(wù)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對傳輸性能有不同的要求。例如，實(shí)時音視頻通信需要低延遲和高帶寬，而文件傳輸則更注重可靠性和完整性。因此，需要對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行合理的調(diào)度和管理，以確保各類業(yè)務(wù)能夠獲得所需的QoS保障。QoS定義需求分析QoS概念及需求分析010203區(qū)分服務(wù)原理區(qū)分服務(wù)模型（DifferentiatedServices，DiffServ）是一種基于類別的QoS保障策略。它通過對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分類和標(biāo)記，然后在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上根據(jù)標(biāo)記執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)度和處理策略，以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量要求。類別劃分在DiffServ模型中，通常將網(wǎng)絡(luò)流量劃分為多個類別，每個類別對應(yīng)不同的服務(wù)質(zhì)量等級。常見的類別劃分方法包括基于IP地址、端口號、協(xié)議類型等。標(biāo)記與調(diào)度對于每個數(shù)據(jù)包，根據(jù)其所屬的類別進(jìn)行標(biāo)記。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)標(biāo)記執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)度算法，如優(yōu)先級隊(duì)列、加權(quán)輪詢等，以確保各類業(yè)務(wù)能夠獲得所需的帶寬和延遲性能。區(qū)分服務(wù)模型介紹優(yōu)先級隊(duì)列調(diào)度優(yōu)先級隊(duì)列調(diào)度算法根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進(jìn)行排序和調(diào)度。高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包優(yōu)先獲得傳輸機(jī)會，而低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包則可能經(jīng)歷較長的等待時間。這種算法適用于對實(shí)時性要求較高的業(yè)務(wù)。加權(quán)輪詢調(diào)度加權(quán)輪詢調(diào)度算法是一種基于權(quán)重的輪詢調(diào)度方法。它根據(jù)各類業(yè)務(wù)的權(quán)重分配帶寬資源，權(quán)重高的業(yè)務(wù)獲得更多的帶寬分配。這種算法可以平衡不同業(yè)務(wù)之間的帶寬需求，實(shí)現(xiàn)相對公平的資源分配?；陬悇e的調(diào)度基于類別的調(diào)度算法結(jié)合了優(yōu)先級隊(duì)列和加權(quán)輪詢的思想。它首先將數(shù)據(jù)流分類到不同的類別中，然后在每個類別內(nèi)部采用優(yōu)先級隊(duì)列或加權(quán)輪詢等調(diào)度算法進(jìn)行處理。這種算法可以針對不同類別的業(yè)務(wù)提供靈活的服務(wù)質(zhì)量保障?；陬悇e和優(yōu)先級調(diào)度算法06網(wǎng)絡(luò)性能評估與優(yōu)化方法吞吐量衡量網(wǎng)絡(luò)在單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。時延數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端所需的時間，包括傳播時延、處理時延、排隊(duì)時延等。丟包率在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中丟失數(shù)據(jù)包的比例，反映網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。抖動連續(xù)數(shù)據(jù)包之間時延的變化程度，影響實(shí)時應(yīng)用的性能。網(wǎng)絡(luò)性能評估指標(biāo)體系建立通過調(diào)整發(fā)送速率或丟棄數(shù)據(jù)包等方式，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。擁塞控制算法流量整形負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化對數(shù)據(jù)流進(jìn)行整形，使其符合特定的傳輸要求，如限制最大速率、保證最小速率等。將數(shù)據(jù)流分散到多個路徑或服務(wù)器上，以提高網(wǎng)絡(luò)整體性能和可靠性。改進(jìn)或設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景和需求。網(wǎng)