◆龐雙龍

（廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院 廣東 523960）

基于網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的三大擁塞避免技術(shù)探究

◆龐雙龍

（廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院 廣東 523960）

隨著科學(xué)技術(shù)的的進(jìn)步，越來越多的用戶加入互聯(lián)網(wǎng)去獲取資源，一定程度造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也會迅速下降，所以如何解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題對計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展至關(guān)重要。本文介紹了三種擁塞避免的方法，并對其特點進(jìn)行了比較分析，僅供廣大讀者參考。

計算機網(wǎng)絡(luò); 吞吐量; 擁塞避免

0 前言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭也在加劇。這種競爭會影響網(wǎng)絡(luò)的性能。雖然在負(fù)載很輕的時候所有的網(wǎng)絡(luò)都能夠正常的工作，但是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時有一些問題也會隨之暴露出來。在網(wǎng)絡(luò)面臨的所有問題中，最常見的也是最值得注意的就是數(shù)據(jù)的丟失問題，雖然在一個網(wǎng)絡(luò)中造成數(shù)據(jù)丟失的原因有很多，但網(wǎng)絡(luò)擁塞是最常見的原因。簡單來講，當(dāng)用戶對資源的索取越來越多，當(dāng)對資源的需求超出了網(wǎng)絡(luò)的容量時，網(wǎng)絡(luò)中大量排隊的數(shù)據(jù)導(dǎo)致報文丟失時便會產(chǎn)生擁塞。在擁塞期間，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量可能會降至零，而路徑延遲會變得非常高。擁塞避免技術(shù)能夠讓網(wǎng)絡(luò)在一個延遲低、吞吐量很高的狀態(tài)下運行并能夠預(yù)防網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞的狀態(tài)。

1 DECbit

DECbit是早期的擁塞避免方法之一。該方法要求網(wǎng)絡(luò)交換機與流量源共同協(xié)作。在DECbit方法中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換機的平均隊列長度大于或者等于1時即被視為擁塞。處于擁塞狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)交換機會在數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)層頭部設(shè)置擁塞指示位。非擁塞交換機則不會對擁塞指示位字段進(jìn)行任何操作。這就需要在數(shù)據(jù)包的頭部添加一個擁塞位。如果在數(shù)據(jù)包到達(dá)時,路由器的平均隊列長度大于或者等于1,那么路由器就將這個數(shù)據(jù)包中的擁塞位設(shè)置為1。在目的端擁塞的值將被復(fù)制到確認(rèn)消息的傳輸層首部中。該確認(rèn)消息稍后會被發(fā)送至源端。每次經(jīng)歷兩個往返時間，源就會更新下自己的窗口。如果檢測到在這段時間內(nèi)至少有50%的確認(rèn)消息將擁塞位設(shè)置為1,那么窗口大小將從當(dāng)前的congestionW減小至β* congestionW。否則擁塞窗口的數(shù)值將會增加至congestionW+α，其中β=0.875，α=1。該方案占用了最小的網(wǎng)絡(luò)反饋量，即只利用網(wǎng)絡(luò)層首部中的一個比特位來指出擁塞,能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的短暫性變化,并且使網(wǎng)絡(luò)收斂到高效的運行狀態(tài)。

2 隨機早期檢測

隨機早期檢測（Random Early Detection，RED）方法由Sally Floyd 與 VanJacobson在20世紀(jì)90年代早期提出來的，RED與DECbit技術(shù)類似。他們通過程序設(shè)定每臺路由器對自身的隊列長度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到擁塞即將發(fā)生時，就會通知源端調(diào)整窗口大小。它們的主要區(qū)別有兩方面，首先RED不像DECbit一樣，不會通過向源端發(fā)送一個擁塞通知的方法來很明確的告知擁塞即將發(fā)生。通常RED會通過丟棄自身的一個數(shù)據(jù)包來向源端進(jìn)行暗示，因此源端能夠通過隨后的超時事件以及冗余確認(rèn)消息有效的了解到擁塞的發(fā)生。其次兩者的第二個區(qū)別在于RED確定在什么時候丟棄數(shù)據(jù)包以及丟棄哪一個數(shù)據(jù)包的細(xì)節(jié)問題，舉一個簡單的例子:在先進(jìn)先出（FIFO）中與其等到隊列全滿后才不得不丟棄隨后到達(dá)的每一個數(shù)據(jù)包，我們不如在隊列長度超過某一個丟棄值時以一定的概率來決定是否丟棄每一個到達(dá)的數(shù)據(jù)包。這一思想被稱作早期隨機丟棄（RED）。RED算法定義了如何監(jiān)控隊列長度以及何時丟棄數(shù)據(jù)包的具體方法。RED被設(shè)計用于和TCP一起工作。TCP是通過超時、冗余確認(rèn)消息等來檢測當(dāng)前的擁塞。RED字母縮寫中的“early”表示希望路由器在不得不丟棄數(shù)據(jù)包之前就開始丟棄數(shù)據(jù)包，這樣能快速地通知源端減小擁塞窗口，從而獲得比正常狀況更快的速率。也就是說路由器在其緩沖區(qū)空間完全耗盡之前就丟棄了一些數(shù)據(jù)包，從而迫使源端降低發(fā)送速率避免此后丟棄大量的數(shù)據(jù)包。值得我們注意的是，如果將被丟棄的數(shù)據(jù)包用標(biāo)記的方法來代替，那么就可以簡單的將顯式的反饋機制與RED方法結(jié)合在一起協(xié)同工作，至于RED方法是如何決定丟棄數(shù)據(jù)包的時間以及怎樣去選擇丟棄的數(shù)據(jù)包，我們可以通過一個簡單的先進(jìn)先出隊列來舉例說明。RED在隊列的長度超過某一丟棄水平時，就會以一定的概率來決定是否丟棄每個到達(dá)的數(shù)據(jù)包，而不是一直等到隊列全滿后才不得不丟棄隨后到達(dá)的每個數(shù)據(jù)包。

3 基于源的擁塞避免

RED與DECbit這兩種擁塞避免技術(shù)都依賴于路由器和交換機。它們有時又被稱之為基于路由器的擁塞避免技術(shù)，在此類方法中，源端通過對往返時延RTT數(shù)值變化的監(jiān)控來檢測擁塞的到來，這類技術(shù)的基本思想是通過觀測網(wǎng)絡(luò)中的若干信號，從而得知某臺路由器的隊列正在增長，如果不對這種情況采取相應(yīng)措施就會產(chǎn)生擁塞。而基于源的擁塞避免描述了一種從終端終端主機檢測擁塞初級階段（發(fā)生在丟包之前）的策略。TCP Vegas是Brakmo提出的一種新的TCP實現(xiàn)。Vegas將測量到的吞吐量與期望值，或者說是與理想的吞吐量做比較。Vegas使用了一種新的重傳機制。這是在快速重傳的基礎(chǔ)上做出的一種改進(jìn)方案。在原始的快速重傳機制中，三個冗余的確認(rèn)消息表明丟包，這樣一個數(shù)據(jù)包就能在超時之前被重新傳輸。Vegas為每個發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包都設(shè)置了一個時間戳，從而在接收到每一個確認(rèn)消息時都計算出往返時間。當(dāng)收到一個冗余的確認(rèn)消息時，Vegas都會檢查數(shù)據(jù)包的時間戳與當(dāng)前時間的差值是否大于超時時間。如果大于，那么Vegas就會重傳該數(shù)據(jù)包，從而不再等待第三個冗余確認(rèn)消息的到來。該方法是對Reno算法的一種改進(jìn)。在TCP Reno中窗口在很多情況下可能會比較小，因此源端可能不會接收到三個冗余的確認(rèn)消息，或者確認(rèn)消息可能會丟在網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)接收到的非冗余確認(rèn)消息，若該消息是重傳之后收到的第一個或第二個確認(rèn)消息，Reno會檢查從數(shù)據(jù)包發(fā)出之后經(jīng)過的時間是否大于超時時間，如果大于就會重傳數(shù)據(jù)包，如果有任何數(shù)據(jù)包在重傳之后丟失，那么這些數(shù)據(jù)包就會被直接重傳而不必等待冗余確認(rèn)消息。為了避免擁塞，Vegas將實際的吞吐量與期望的吞吐量進(jìn)行比較。期望的吞吐量被定義為此前檢測到的所有吞吐量的最小值。實際吞吐量則是指從發(fā)出一個數(shù)據(jù)包到接收到對應(yīng)確認(rèn)消息所經(jīng)歷的時間內(nèi)傳輸出的字節(jié)數(shù)與該數(shù)據(jù)包往返時間的比值。然后Vegas將實際吞吐量和期望吞吐率的差值與閾值α和β進(jìn)行比較。當(dāng)差值小于α?xí)r，窗口大小將線性地增長; 當(dāng)差值大于β時，窗口大小將線性地減小。Reno的慢啟動機制會導(dǎo)致許多數(shù)據(jù)包的丟失。因為窗口大小在每個往返時間內(nèi)是成倍增加的，一旦突破瓶頸而最終超載，那么期望的損失將是當(dāng)前窗口大小的一半。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加，那么慢啟動所造成丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量也會隨之增加。Brakmo提出了一種改進(jìn)的慢啟動機制，其中每隔兩個往返時間窗口大小才翻一倍，因此在每兩個往返時間內(nèi)窗口的大小都不會改變，這使得期望吞吐率與實際吞吐率的比較更加準(zhǔn)確。它不同之處在于需要設(shè)定一個新的閾值，算法會在新的閾值點前切換線性的增長和減小。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會的不斷進(jìn)步，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，并不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)。在今后的發(fā)展過程中應(yīng)該加大對網(wǎng)絡(luò)擁塞避免方面的研發(fā)力度，使其技術(shù)水平得到大幅度的提高，從而提升計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展水平。

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