來文燕 孟姍

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流量控制或擁塞避免技術(shù)專利技術(shù)分析

來文燕 孟姍

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450001

首先給出流量控制或擁塞避免的基本概念，然后著重介紹了流量控制或擁塞避免中的擁塞避免和恢復(fù)技術(shù)發(fā)展路線，最后介紹了流量控制或擁塞避免技術(shù)在專利領(lǐng)域的申請情況以及專利技術(shù)發(fā)展概況，對進(jìn)一步研究流量控制或擁塞避免技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

流量控制；擁塞避免；專利

1 流量控制或擁塞避免技術(shù)簡介

分組交換網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展與應(yīng)用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)中的擁塞來源于網(wǎng)絡(luò)資源和流量分布的不均衡性，要提高網(wǎng)絡(luò)的性能，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量控制或擁塞避免。流量控制主要包括有流量整形，隊(duì)列調(diào)度，負(fù)載均衡等多個(gè)方面。而擁塞避免也是通過流量控制來實(shí)現(xiàn)的，主要包括有使流量遠(yuǎn)離擁塞節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，采用丟包或速率控制避免擁塞，根據(jù)帶寬，QoS對流量進(jìn)行分類，帶寬分配。

2 流量控制或擁塞避免技術(shù)發(fā)展路線

1988 年Van Jacobson 提出了慢開始（Slow Start）和擁塞避免（Congestion Avoidance）兩種算法[1]。

慢開始算法的思路：當(dāng)主機(jī)開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)椴⒉恢喇?dāng)前的網(wǎng)絡(luò)是否擁塞，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況怎么樣，所以并不是立即把大量數(shù)據(jù)字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)中，而是由小到大的逐漸增大發(fā)送窗口，也就是逐漸增大擁塞窗口值。TCP鏈路的數(shù)據(jù)發(fā)送方可以通過慢開始算法，有效地探測網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，確保發(fā)送方不會(huì)盲目地去向已經(jīng)出現(xiàn)擁塞的網(wǎng)絡(luò)中注入過多的數(shù)據(jù)。

擁塞避免算法：當(dāng)探測到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，將擁塞窗口的改變方式由指數(shù)增長變?yōu)榫€性增長。擁塞避免算法的思路是擁塞窗口大小增加到門限閾值ssthresh時(shí)，讓擁塞窗口cwnd緩慢地增大，即每經(jīng)過一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。這樣，擁塞窗口cwnd按線性方式緩慢增加，比慢開始算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。

1990年，提出的TCP Reno版本又增加了兩個(gè)新的擁塞避免算法：快速恢復(fù)（Fast Recovery）和快速重傳（Fast Retransmit）。這兩個(gè)算法主要是針對慢開始算法在擁塞現(xiàn)象不是很嚴(yán)重時(shí)，過大減小擁塞窗口的問題而提出的。此后的TCP 擁塞避免方法基本上都是在此基礎(chǔ)上的一些改進(jìn)。TCP基于窗口的擁塞避免機(jī)制對于Internet的魯棒性起到了關(guān)鍵性的作用。然而，隨著Internet本身的迅猛發(fā)展，其規(guī)模越來越龐大，結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，研究者們也認(rèn)識到僅僅依靠TCP端到端的擁塞避免是不夠的，網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該參加資源的控制工作[2]。目前，關(guān)于IP層擁塞避免的研究也越來越多，已經(jīng)形成了一個(gè)新的熱點(diǎn)研究方向。IP 層擁塞避免就其本質(zhì)來說是通過對路由器緩沖區(qū)隊(duì)列中的分組實(shí)施調(diào)度和管理來影響TCP擁塞避免的動(dòng)態(tài)性能以達(dá)到目的[3]。已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的隊(duì)列調(diào)度和管理的算法來實(shí)現(xiàn)擁塞避免：先進(jìn)先出（FIFO）、公平排隊(duì)（FQ）和加權(quán)公平排隊(duì)（WFQ）（1990—1993年）、隨機(jī)檢測算法（RED）（1993年）、顯示擁塞指示算法（ECN）（1999年）、適應(yīng)性虛擬隊(duì)列（AVQ）（2001年）[2]。

3 關(guān)于流量控制或擁塞避免專利申請概況

從1993年開始出現(xiàn)了關(guān)于擁塞避免和恢復(fù)的專利申請，在2002之前，關(guān)于擁塞避免和恢復(fù)的專利申請主要集中在國外公司，具有代表性的公司為諾基亞、艾利森、西門子。其擁塞避免方案主要是基于緩存和速率的控制。2002年之后中國的公司開始有所涉及，具有代表性的公司為華為、中興。2002—2008年期間，國內(nèi)外大型公司企業(yè)關(guān)于擁塞避免和恢復(fù)專利技術(shù)申請屬于初步發(fā)展階段。2009—2011年期間，國內(nèi)高校以及國內(nèi)眾多公司開始涉及關(guān)于擁塞避免和恢復(fù)的專利申請，這個(gè)時(shí)期屬于擁塞避免和恢復(fù)專利技術(shù)申請的蓬勃發(fā)展期；2011年至今，擁塞避免和恢復(fù)專利技術(shù)的申請量又上了一個(gè)新的臺階，處于一個(gè)新的發(fā)展階段。

專利申請中更多的講究的是實(shí)用性，因此，基于流量控制和擁塞避免的專利申請都是將現(xiàn)有的擁塞避免算法應(yīng)用到某個(gè)特定的系統(tǒng)中，并根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行流量控制。2002年，申請?zhí)枮镃N02148902的專利申請?zhí)岢鰜硪环N城域傳輸設(shè)備中虛容器映射通道的流量控制方法，通過標(biāo)識是否擁塞的流控報(bào)文中的通道標(biāo)識號暫停轉(zhuǎn)發(fā)該虛容器映射通道的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文來控制流量。2005年，申請?zhí)枮镃N200680004385的專利申請?zhí)岢鰜硪环N在網(wǎng)絡(luò)中擁塞通知的方法，通過確定是否遇到擁塞并且將網(wǎng)絡(luò)擁塞的指示引入數(shù)據(jù)包中發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行擁塞避免。2007年，申請?zhí)枮镃N200780026281的專利申請?zhí)岢鰜硪环N控制聚合鏈路中的擁塞的方法，通過確定來自所述多個(gè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸率是否超過閾值，通知所述多個(gè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)中的至少一個(gè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)降低數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)行流量控制。2013年，申請?zhí)枮镃N201310323965的專利申請?zhí)岢鰜硪环N避免擁塞的路由方法，根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中各交換機(jī)獲取LSA報(bào)文和NCA報(bào)文，構(gòu)造出全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和全局擁塞信息，根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和全局擁塞信息，構(gòu)造流傳輸路徑。分享上述具有代表性的專利技術(shù)申請可以得出，根據(jù)顯示擁塞通知來調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率或者數(shù)據(jù)傳輸路徑的擁塞避免方法是專利申請的熱點(diǎn)，其具體的根據(jù)不同的系統(tǒng)特征來作對應(yīng)的改進(jìn)，主要的改進(jìn)點(diǎn)集中在擁塞通知的獲取與反饋方法上，數(shù)據(jù)速率的調(diào)整與路徑選擇上[3]。

4 小結(jié)

根據(jù)以上分析，可以看出，前期關(guān)于流量控制和擁塞避免的研究主要集中在國外研究所和公司，近些年，隨著越來越多優(yōu)秀的中國企業(yè)的出現(xiàn)，中國在流量控制和擁塞避免方面的研究也取得了令人矚目的成績。但值得注意的是中國在這方面的研究還停留在對已有的核心技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用的層面上，在流量控制和擁塞避免的研究上中國仍有較長的路要走。

[1]V.Jacobson.Congestion Avoidance and Control[J].ACM SIGCOMM，1988，18（4）：314-329.

[2]任豐原，林闖，劉衛(wèi)東.IP網(wǎng)絡(luò)中的擁塞避免[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2003，26（9）：1025-1034.

[3]閆友彪，羅曉曙，等.Internet擁塞避免研究的最新進(jìn)展分析與展望[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005，22（2）：8-13.

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