拥塞控制

1 拥塞控制

拥塞(Congestion)

• 非正式定义：“太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，以至于网络无法处理”
• 表现：
  
  • 分组丢失（路由器缓存溢出）
  • 分组延迟过大（在路由器缓存中排队）
• 拥塞控制 vs. 流量控制
• A top-10 problem

2 拥塞的成因和代价

场景1

场景2

场景3

3 拥塞控制的方法

端到端拥塞控制

• 网络层不需要显式的提供支持
• 端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞
• TCP采取这种方法

网络辅助的拥塞控制

• 路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息
• 简单的拥塞指示(1bit)：SNA,DECbit, TCP/IP ECN, ATM)
• 指示发送方应该采取何种速率

案例：ATM ABR拥塞控制

ABR：available bit rate

• ”弹性服务”
• 如果发送方路径“underloaded”，使用可用带宽
• 如果发送方路径拥塞，将发送速率降到最低保障速率

RM(resource management) cells

• 发送方发送
• 交换机设置RM cell位(网络辅助)
  
  • NI bit: rate不许增长
  • CI bit: 拥塞指示
• RM cell由接收方返回给发送方

• 在RM cell中有显式的速率(ER)字段：两个字节
  
  • 拥塞的交换机可以将ER置为更低的值
  • 发送方获知路径所能支持的最小速率
• 数据cell中的EFCI位: 拥塞的交换机将其设为1
  
  • 如果RM cell前面的data cell的EFCI位被设为1，那么发送方在返回的RM cell中置CI位

4 TCP拥塞控制

TCP拥塞控制的基本原理

Sender限制发送速率
LastByteSent-LastByteAcked<= CongWin
rate ≈ CongWin/RTT Bytes/Sec

CongWin:

• 动态调整以改变发送速率
• 反映所感知到的网络拥塞

问题：如何感知网络拥塞？

• Loss事件=timeout或3个重复ACK
• 发生loss事件后，发送方降低速率

如何合理地调整发送速率？

• 加性增—乘性减: AIMD
• 慢启动: SS

加性增—乘性减: AIMD

• 原理：逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，直到发生loss
• 方法: AIMD
  
  • Additive Increase: 每个RTT将CongWin增大一个MSS——拥塞避免
  • Multiplicative Decrease: 发生loss后将CongWin减半

TCP慢启动: SS

TCP连接建立时，CongWin=1。
例：MSS=500 byte, RTT=200msec，初始速率=20k bps。

可用带宽可能远远高于初始速率：希望快速增长。

原理：当连接开始时，指数性增长。

• 指数性增长
  
  • 每个RTT将CongWin翻倍
  • 收到每个ACK进行操作
• 初始速率很慢，但是快速攀升

Threshold变量

Q:何时应该指数性增长切换为线性增长(拥塞避免)?
A: 当CongWin达到Loss事件前值的1/2时.

实现方法:

• 变量 Threshold
• Loss事件发生时, Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2。

Loss事件的处理

• 3个重复ACKs:
  
  • CongWin切到一半
  • 然后线性增长

• Timeout事件:

  • CongWin直接设为1个MSS
  • 然后指数增长
  • 达到threshold后, 再线性增长

  3个重复ACKs表示网络还能够传输一些 segments，timeout事件表明拥塞更为严重。

TCP控制算法

例题

一个TCP连接总是以1 KB的最大段长发送TCP段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为16 KB时发生了超时，如果接下来的4个RTT（往返时间）时间内的TCP段的传输都是成功的，那么当第4个RTT时间内发送的所有TCP段都得到肯定应答时，拥塞窗口大小是多少？
解：threshold=16/2=8 KB, CongWin=1 KB, 1个RTT后， CongWin=2 KB ，2个RTT后， CongWin=4 KB ，3个RTT后， CongWin=8 KB ，Slowstart is over; 4个RTT后， CongWin=9 KB。

5 TCP性能分析

TCP throughput: 吞吐率

给定拥塞窗口大小和RTT，TCP的平均吞吐率是多少？

• 忽略掉Slow start
• 假定发生超时时CongWin的大小为W，吞吐率是W/RTT
• 超时后，CongWin=W/2，吞吐率是W/2RTT
• 平均吞吐率为：0.75W/RTT

未来的TCP

举例：每个Segment有1500个byte, RTT是100ms，希望获得
10Gbps的吞吐率

• throughput = W*MSS*8/RTT, 则
• W=throughput*RTT/(MSS*8)
• throughput=10Gbps, 则W=83,333
• 窗口大小为83,333

TCP的公平性

公平性？如果K个TCP Session共享相同的瓶颈带宽R，那么每个Session的平均速率为R/K。

TCP具有公平性吗？是的。

• 公平性与UDP

  • 多媒体应用通常不使用TCP，以免被拥塞控制机制限制速率
  • 使用UDP：以恒定速率发送，能够容忍丢失
  • 产生了不公平

• 研究：TCP friendly

• 公平性与并发TCP连接

  • 某些应用会打开多个并发连接
  • Web浏览器
  • 产生公平性问题

例子：链路速率为R，已有9个连接

• 新来的应用请求1个TCP，获得R/10的速率
• 新来的应用请求11个TCP，获得R/2的速率