計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制演講人：日期：2023REPORTING引言流量控制機(jī)制擁塞控制機(jī)制TCP中的流量控制和擁塞控制實(shí)現(xiàn)其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的流量控制和擁塞控制總結(jié)與展望目錄CATALOGUE2023PART01引言2023REPORTING由若干節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的鏈路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類從ARPANET到Internet，經(jīng)歷了從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、從有線到無(wú)線、從固定到移動(dòng)的發(fā)展歷程。按照覆蓋范圍可分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；按照傳輸介質(zhì)可分為有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)。030201計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述123防止發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)快，接收方來(lái)不及處理而丟失數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ａ髁靠刂埔饬x當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大時(shí)，通過(guò)一定的機(jī)制減少數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。擁塞控制意義流量控制是端到端的控制，而擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)全局性的控制，二者相互補(bǔ)充，共同維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。二者關(guān)系流量控制和擁塞控制的重要性闡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中流量控制和擁塞控制機(jī)制的原理、算法和實(shí)現(xiàn)方式，分析其在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化中的作用。涵蓋TCP/IP協(xié)議族中的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，重點(diǎn)討論TCP協(xié)議中的流量控制和擁塞控制機(jī)制，簡(jiǎn)要介紹其他相關(guān)協(xié)議中的類似機(jī)制。報(bào)告目的和范圍報(bào)告范圍報(bào)告目的PART02流量控制機(jī)制2023REPORTING流量控制的目的防止發(fā)送方發(fā)送速率過(guò)快，接收方來(lái)不及處理，造成數(shù)據(jù)丟失或溢出。流量控制的原則發(fā)送方的發(fā)送速率不超過(guò)接收方的接收能力。流量控制的方法通過(guò)反饋機(jī)制調(diào)整發(fā)送速率，如滑動(dòng)窗口機(jī)制、停止-等待協(xié)議等。流量控制的基本概念030201滑動(dòng)窗口機(jī)制提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，減少了等待時(shí)間。滑動(dòng)窗口的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)送方和接收方分別維護(hù)一個(gè)窗口，窗口大小表示可以發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量?；瑒?dòng)窗口的概念發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)位置；接收方每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀，也向前滑動(dòng)一個(gè)位置。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整窗口大小，實(shí)現(xiàn)流量控制?；瑒?dòng)窗口的工作原理停止-等待協(xié)議的工作原理通過(guò)確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)信息，就會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失并重新發(fā)送。停止-等待協(xié)議的缺點(diǎn)傳輸效率低，等待時(shí)間長(zhǎng)。停止-等待協(xié)議的概念發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就停止發(fā)送并等待接收方的確認(rèn)；接收方每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就向發(fā)送方發(fā)送確認(rèn)信息。停止-等待協(xié)議GBN協(xié)議的概念發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，但如果某個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，接收方會(huì)丟棄后續(xù)所有數(shù)據(jù)幀并重新請(qǐng)求發(fā)送。GBN協(xié)議的工作原理通過(guò)累積確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。接收方每接收一個(gè)正確的數(shù)據(jù)幀就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)累積確認(rèn)信息；如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)信息，就會(huì)從出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始重新發(fā)送。GBN協(xié)議的缺點(diǎn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)連續(xù)錯(cuò)誤時(shí)，需要重新傳輸大量數(shù)據(jù)幀，造成資源浪費(fèi)。后退N幀協(xié)議（GBN）SR協(xié)議的概念與GBN協(xié)議類似，但SR協(xié)議只重新傳輸出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀，而不是丟棄后續(xù)所有數(shù)據(jù)幀。SR協(xié)議的工作原理通過(guò)選擇確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。接收方每接收一個(gè)正確的數(shù)據(jù)幀就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)選擇確認(rèn)信息；如果某個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，接收方會(huì)單獨(dú)請(qǐng)求重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。SR協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)相比GBN協(xié)議更加高效，避免了不必要的資源浪費(fèi)。選擇性重傳協(xié)議（SR）PART03擁塞控制機(jī)制2023REPORTING當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的資源（如帶寬、緩沖區(qū)）不足以滿足所有用戶的需求時(shí)，就會(huì)發(fā)生擁塞。資源耗盡短時(shí)間內(nèi)大量的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸，超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)的處理能力。流量突發(fā)不恰當(dāng)?shù)穆酚蛇x擇可能導(dǎo)致某些路徑上的流量過(guò)載。路由問(wèn)題擁塞現(xiàn)象及其原因開(kāi)環(huán)控制在數(shù)據(jù)傳輸前，通過(guò)某種機(jī)制來(lái)預(yù)防擁塞的發(fā)生，如準(zhǔn)入控制?；旌峡刂平Y(jié)合開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，既預(yù)防又動(dòng)態(tài)調(diào)整。閉環(huán)控制基于反饋機(jī)制，動(dòng)態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率以緩解或避免擁塞。擁塞控制策略分類慢開(kāi)始和擁塞避免算法通過(guò)逐漸增加發(fā)送速率，探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，同時(shí)避免突發(fā)大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致的擁塞。算法目的初始時(shí)，發(fā)送方以較慢的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，然后逐漸加快，直到達(dá)到一個(gè)閾值或收到擁塞信號(hào)。慢開(kāi)始（SlowStart）在慢開(kāi)始階段后，發(fā)送方嘗試以線性方式增加發(fā)送速率，以避免過(guò)度占用網(wǎng)絡(luò)資源。擁塞避免（CongestionAvoidance）010203快重傳（FastRetransmit）當(dāng)接收方收到一個(gè)失序的數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)立即發(fā)送多個(gè)重復(fù)的確認(rèn)信號(hào)，促使發(fā)送方快速重傳丟失的數(shù)據(jù)包?？旎謴?fù)（FastRecovery）在快重傳后，發(fā)送方不直接回到慢開(kāi)始階段，而是進(jìn)入一個(gè)快速恢復(fù)階段，以較快的速率重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)。算法目的通過(guò)快速響應(yīng)丟失的數(shù)據(jù)包和快速恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，減少因數(shù)據(jù)包丟失而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能下降?？熘貍骱涂旎謴?fù)算法PART04TCP中的流量控制和擁塞控制實(shí)現(xiàn)2023REPORTING最大報(bào)文段長(zhǎng)度（MSS）TCP連接雙方會(huì)協(xié)商MSS，即TCP報(bào)文段中數(shù)據(jù)部分的最大長(zhǎng)度，以避免IP層分片。接收窗口大小接收方會(huì)通告自己的接收窗口大小，發(fā)送方根據(jù)接收窗口大小調(diào)整發(fā)送速率。初始窗口大小TCP連接建立時(shí)，雙方會(huì)協(xié)商初始窗口大小，用于控制數(shù)據(jù)發(fā)送的速率。TCP連接建立過(guò)程中的參數(shù)協(xié)商TCP采用滑動(dòng)窗口機(jī)制，發(fā)送方維護(hù)一個(gè)發(fā)送窗口，接收方維護(hù)一個(gè)接收窗口，通過(guò)窗口的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送和接收?；瑒?dòng)窗口接收方收到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，告知發(fā)送方已成功接收的數(shù)據(jù)范圍。發(fā)送方根據(jù)確認(rèn)報(bào)文調(diào)整發(fā)送窗口的位置。確認(rèn)機(jī)制如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)報(bào)文，會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)擁塞，會(huì)啟動(dòng)超時(shí)重傳機(jī)制，重新發(fā)送數(shù)據(jù)。超時(shí)重傳TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)機(jī)制接收窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整接收方根據(jù)自己的緩沖區(qū)大小和處理能力動(dòng)態(tài)調(diào)整接收窗口大小，并通過(guò)確認(rèn)報(bào)文通告給發(fā)送方。發(fā)送速率控制發(fā)送方根據(jù)接收窗口大小和往返時(shí)間（RTT）等信息計(jì)算合適的發(fā)送速率，避免發(fā)送過(guò)快導(dǎo)致接收方緩沖區(qū)溢出。持續(xù)計(jì)時(shí)器當(dāng)發(fā)送窗口內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都已發(fā)送但尚未收到確認(rèn)時(shí)，發(fā)送方會(huì)啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器，定期向接收方發(fā)送探測(cè)報(bào)文以獲取最新的接收窗口信息。TCP中的流量控制實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)TCP中的擁塞控制實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)擁塞避免當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，TCP會(huì)采用擁塞避免算法，通過(guò)減小發(fā)送窗口大小來(lái)降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率。慢啟動(dòng)TCP連接建立初期采用慢啟動(dòng)算法，逐步增加發(fā)送窗口大小以探測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲。快速重傳和快速恢復(fù)當(dāng)接收方收到亂序報(bào)文時(shí)會(huì)發(fā)送重復(fù)確認(rèn)報(bào)文，如果發(fā)送方連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)報(bào)文則會(huì)立即重傳丟失的報(bào)文并啟動(dòng)快速恢復(fù)算法，快速恢復(fù)到正常的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。PART05其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的流量控制和擁塞控制2023REPORTING無(wú)連接服務(wù)應(yīng)用程序負(fù)責(zé)速率限制UDP中的流量控制和擁塞控制策略UDP是一種無(wú)連接協(xié)議，不維護(hù)連接狀態(tài)，因此沒(méi)有內(nèi)置的流量控制和擁塞控制機(jī)制。在UDP中，流量控制和擁塞控制的任務(wù)通常由應(yīng)用程序自行處理。應(yīng)用程序可以使用自定義算法來(lái)管理數(shù)據(jù)發(fā)送速率和避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。應(yīng)用程序可以通過(guò)限制發(fā)送數(shù)據(jù)的速率來(lái)實(shí)施流量控制，以防止過(guò)多的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。ICMP中的流量控制和擁塞控制功能ICMP（InternetControlMessageProtocol）主要用于網(wǎng)絡(luò)診斷和錯(cuò)誤報(bào)告，而不是直接的流量控制和擁塞控制。路由器通告ICMP路由器通告消息可以包含有關(guān)網(wǎng)絡(luò)路徑和擁塞的信息，幫助主機(jī)進(jìn)行路由選擇和擁塞避免。目的地不可達(dá)消息當(dāng)路由器或主機(jī)遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以使用ICMP目的地不可達(dá)消息通知發(fā)送方，以便發(fā)送方采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如重傳或降低發(fā)送速率。網(wǎng)絡(luò)診斷和報(bào)告多播組成員資格管理IGMP（InternetGroupManagementProtocol）主要用于IPv4網(wǎng)絡(luò)中的多播組成員資格管理，而不是直接的流量控制和擁塞控制。雖然IGMP本身不提供直接的流量控制機(jī)制，但它可以與多播路由協(xié)議（如PIM）結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)多播流量的有效管理和控制。在多播環(huán)境中，可以通過(guò)使用特定的多播擁塞控制算法來(lái)管理多播流量的速率和傳輸，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。多播流量控制多播擁塞控制IGMP中的流量控制和擁塞控制應(yīng)用PART06總結(jié)與展望2023REPORTING當(dāng)前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。其中，TCP/IP協(xié)議棧中的傳輸控制協(xié)議（TCP）是最具代表性的流量控制和擁塞控制機(jī)制之一。此外，還有一些其他的控制機(jī)制，如基于速率的控制、基于窗口的控制和基于負(fù)載的控制等。研究現(xiàn)狀盡管現(xiàn)有的流量控制和擁塞控制機(jī)制在一定程度上能夠有效地控制網(wǎng)絡(luò)中的流量和擁塞，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，在高速網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的基于窗口的流量控制機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致帶寬利用率不足；在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于信道的不穩(wěn)定性和時(shí)變性，如何實(shí)現(xiàn)有效的流量控制和擁塞控制也是一個(gè)難題。面臨的挑戰(zhàn)當(dāng)前研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)智能化利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流量控制和擁塞控制的自適應(yīng)和智能化。多路徑傳輸通過(guò)多路徑傳輸技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率和傳輸效率。發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制也將呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)探討03新的控制算法研究新的流量控制和擁塞控制算法，以適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等不同場(chǎng)景的需求。01跨層設(shè)計(jì)將流量控制和擁塞控制與網(wǎng)絡(luò)的其他層次（如物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等）進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效的網(wǎng)絡(luò)性能。02