一、引述

網(wǎng)絡(luò)擁塞（Congestion）是指在通信子網(wǎng)內(nèi)局部（單個節(jié)點或數(shù)個節(jié)點）或全局性地發(fā)生數(shù)據(jù)流通不暢或阻塞的現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能造成死鎖（Dead-locked）。可能造成擁塞的原因很多，例如，用戶注入通信子網(wǎng)的數(shù)據(jù)過多、過快；在某一節(jié)點上多條輸入線路瞬時指向同一條線路的輸出數(shù)據(jù)過多、過快，超出了節(jié)點處理能力或線路輸出能力；輸出隊列過長耗盡緩存空間等等。擁塞現(xiàn)象很容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，例如，單節(jié)點發(fā)生擁塞時，如果數(shù)據(jù)較集中地指向同一目標(biāo)，擁塞可能沿傳輸路徑逆向擴(kuò)散。另外，如果試圖緩解擁塞的措施不當(dāng)也可能使擁塞情況更加惡化，例如，當(dāng)發(fā)生擁塞的節(jié)點為了減少對該節(jié)點的壓力，將新到達(dá)的報文丟棄時，又可能由于“確認(rèn)超時”（Timeout )而引起大量的數(shù)據(jù)重傳。

盡管好的流量控制和路徑選擇技術(shù)，有利于減小擁塞的發(fā)生或在一定程度上減緩擁塞，但流控、選徑技術(shù)并不能替代擁塞控制，必須在網(wǎng)內(nèi)設(shè)計相應(yīng)的專門的擁塞控制策略，盡量避免擁塞的發(fā)生和在發(fā)生擁塞時能夠緩解和解除擁塞。

擁塞控制（Congestion Control）技術(shù)可以分為開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制的基本思想是通過適當(dāng)?shù)牟呗员M量避免擁塞發(fā)生，其策略包括：限制輸入流量、適時丟棄報文或分組以及為某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點制訂擁塞控制決策措施等。閉環(huán)控制實質(zhì)上是反饋控制，它以擁塞狀況檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通知或告誡相關(guān)節(jié)點采取措施阻止擁塞發(fā)生或緩解擁塞狀況。閉環(huán)擁塞控制過程通常由3個步驟構(gòu)成，詳見下表1所述。

表 1：閉環(huán)擁塞控制過程的步驟

二、擁塞預(yù)防策略

在網(wǎng)絡(luò)層擁塞預(yù)防策略包括多個方面，下表2-0給出了不同種常用的策略。將在下面分別專門討論其中的3種策略：限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)流的策略、基于服務(wù)質(zhì)量的策略和資源預(yù)留策略。

表 2-0：網(wǎng)絡(luò)層擁塞預(yù)防的常用策略總述

1、限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)流的策略（Traffic Shaping）

大量的突發(fā)性數(shù)據(jù)注入網(wǎng)內(nèi)往往是造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的重要原因。一種限制過量突發(fā)數(shù)據(jù)入網(wǎng)方法稱為平滑數(shù)據(jù)流的策略，其具體做法是：根據(jù)服務(wù)質(zhì)量合同，采用限制各邏輯鏈路上的入網(wǎng)速率（承諾速率、承諾的突發(fā)速率和承諾的額外突發(fā)速率）。限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)流的策略屬于開環(huán)擁塞控制手段，也可以歸入預(yù)防性策略之中。下面討論的兩種算法也屬于限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)流的策略。

1）漏桶算法：“漏桶算法（Leaky Bucket Algorithm）”借用廚房中使用漏桶以漏孔限制水流的思路來限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)。當(dāng)漏桶盛滿水時，水從漏桶上面溢出；“漏桶算法”限定單位時間內(nèi)允許單臺計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量（相當(dāng)于“漏孔”大小），當(dāng)待入網(wǎng)數(shù)據(jù)過多時，則將多余部分丟棄（類似于水從漏桶上方溢出）。平滑數(shù)據(jù)流中的具體實現(xiàn)方式至少有如下表2-1-1的兩種。

表 2-1-1：平滑數(shù)據(jù)流中的具體實現(xiàn)方式

2）變孔徑漏桶算法：采用上面介紹的“漏桶算法”過于死板，嚴(yán)格限制單個主機(jī)單位時間內(nèi)允許注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，如果某時段無數(shù)據(jù)或待發(fā)數(shù)據(jù)少于限量值（固定孔徑）在下一時段不能利用過去未用的額度。由于任一主機(jī)期望注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率在時間上的分布規(guī)律不同，在某些時刻，無數(shù)據(jù)發(fā)送或需發(fā)的數(shù)據(jù)較少，而在另外一些時刻又可能產(chǎn)生較大量的突發(fā)性數(shù)據(jù)。如果允許將未用盡的發(fā)送額度保留一個最大的限額，待有突發(fā)性數(shù)據(jù)時使用（有些像偶然地適當(dāng)放大“漏孔”），則既能夠適應(yīng)突發(fā)性數(shù)據(jù)的傳輸，又能夠保證整個網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)數(shù)據(jù)仍然大體保持平衡（各主機(jī)突發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時刻不同）。這種算法稱為“變孔徑漏桶法”（Token Bucket Algorithm），規(guī)定一個正常孔徑，平時發(fā)送量受該孔徑限制，當(dāng)前面的計時周期內(nèi)未超過正常孔徑允許的發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)余的發(fā)送量可用于本周期發(fā)送，此時的發(fā)送限額，大于正常孔徑。這種可變的發(fā)送孔徑就是本次的發(fā)送限額，也即“Token”。

2、基于服務(wù)質(zhì)量的策略

限制入網(wǎng)速率的方法不僅限于主機(jī)，這一方法可以推廣到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如路由器），通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配合實現(xiàn)在一對端系統(tǒng)主機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)流的平滑控制。IETF的RFC 1363建議了一種在平滑控制中用于描述數(shù)據(jù)流的注入模式和期望的服務(wù)質(zhì)量的方法。這種方法的基本思路是：在（無連接服務(wù)的）數(shù)據(jù)報文序列發(fā)送前或在（有連接服務(wù)）建立連接前，發(fā)送方通過數(shù)據(jù)流的描述詢問通信子網(wǎng)是否可接受；如果可以接受，則繼續(xù)向前進(jìn)行這一過程。被詢問方的應(yīng)答可能是：接受、拒絕或者提出自身可接受的數(shù)據(jù)流描述。這一過程將一直進(jìn)行到收方、發(fā)方與通信子網(wǎng)三方取得一致意見為止。大家可能已經(jīng)意識到，上述策略盡管沒有提到建立連接，但實質(zhì)上是在一對主機(jī)與中間經(jīng)過的服務(wù)器間建立一條能夠滿足請求方所要求的服務(wù)質(zhì)量的連接。這也再次說明，有連接服務(wù)在保證服務(wù)質(zhì)量方面優(yōu)于無連接服務(wù)。表2-2舉例說明了數(shù)據(jù)流描述的可能內(nèi)容，其中，表中第1列的參數(shù)用于描述輸入數(shù)據(jù)流的特征；第2列描述發(fā)送方期望通信子網(wǎng)提供的服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)。

表 2-2：數(shù)據(jù)流描述的可能內(nèi)容舉例

面向連接的OSI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)從保證服務(wù)質(zhì)量的角度，定義了服務(wù)質(zhì)量協(xié)商過程，即在連接建立之初，端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者（通信子網(wǎng)）之間共同商定某連接在其存在過程中提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)當(dāng)指出，盡管基于服務(wù)質(zhì)量的策略客觀上起到了一定平滑數(shù)據(jù)流的作用，但無論再好的預(yù)防策略都很難保證不會發(fā)生擁塞，因此，網(wǎng)絡(luò)中還必須具備在發(fā)生擁塞后緩解或消除擁塞的措施。

3、資源預(yù)留策略

資源預(yù)留策略的出發(fā)點實質(zhì)上是保證服務(wù)質(zhì)量，盡管在客觀上起到一定減少發(fā)生擁塞的可能性的作用。最有代表性的資源預(yù)留協(xié)議是Internet中的RSVP（Resource Reservation Protocol）（RFC 2205）。RSVP試圖在無連接的IP協(xié)議之上，在發(fā)送方和接收方之間，為特定的單向數(shù)據(jù)流提供傳輸服務(wù)質(zhì)量保證。由于IP協(xié)議中各報文傳輸?shù)穆窂娇勺儯?wù)質(zhì)量的保證必須由一對收、發(fā)方之間的所有中間節(jié)點（路由器）來保證，因此，對此特定的數(shù)據(jù)流實質(zhì)上需要在收發(fā)方和途經(jīng)的各路由器之間建立一條“連接”。一旦通過RSVP協(xié)商后，各路由器就必須為保證該信息流的傳輸預(yù)留相應(yīng)的資源。資源的預(yù)留，在一定程度上起到減緩擁塞的作用。

有關(guān)RSVP的具體內(nèi)容請參見RFC 2205。為了能根據(jù)擁塞情況采取解救措施，首先需要能感知擁塞即將或已經(jīng)發(fā)生，然后將擁塞信息傳遞給能夠緩解擁塞的節(jié)點，以便采取相應(yīng)的措施。這種擁塞控制方式屬于閉環(huán)控制，下面我們將討論閉環(huán)擁塞控制技術(shù)。

三、閉環(huán)擁塞控制技術(shù)

1、概述

閉環(huán)擁塞控制技術(shù)的出發(fā)點是當(dāng)發(fā)生擁塞時，限制入網(wǎng)數(shù)據(jù)流以緩解網(wǎng)絡(luò)的壓力。對于面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，除可以限制主機(jī)注入網(wǎng)內(nèi)的分組數(shù)外（例如：直接減緩發(fā)送或減小窗口大小），還可采用限制新連接的建立或限制新連接通過擁塞區(qū)的方式進(jìn)一步限制新數(shù)據(jù)流的引入。閉環(huán)擁塞控制手段啟用的前提是發(fā)生了擁塞，因此，要應(yīng)用這類技術(shù)必須首先發(fā)現(xiàn)擁塞。為此，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須對相關(guān)的線路利用率進(jìn)行周期性的監(jiān)測，通過線路利用率的歷史和近況求得線路利用率。計算公式如下式所示，式中的符號的含義及參數(shù)的取值詳見下表3-1。

u（新）＝α u（舊）+（1-α）f

表 3-1：符號的含義及參數(shù)的取值范圍

每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以將u等于某值（例如0.9）時定義為輸出線路擁塞的閾值，一旦某輸出線路的利用率達(dá)到該值，該線路即進(jìn)入“警告”狀態(tài)。當(dāng)新的分組或報文到達(dá)該節(jié)點時，如果其相應(yīng)的輸出線路處于“警告”狀態(tài)，則該節(jié)點將向該分組的源主機(jī)發(fā)送一“限流”分組（Choke Packet）或報文。當(dāng)源主機(jī)收到此限流分組或報文后，將按規(guī)定將其發(fā)向特定目的地的分組或報文減小一定比例，從而起到緩解該節(jié)點及相關(guān)節(jié)點的擁塞狀況的作用。

2、相關(guān)方法

上述方式的應(yīng)用依賴于主機(jī)收到警告分組后自覺減少發(fā)送的數(shù)據(jù)，但如果主機(jī)不遵守這一約定，擁塞仍得不到緩解。為此，有人提出了另一種方法稱為“公平排隊”（Fair Queuing）法。其基本思想是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的輸出線路上，為每一源主機(jī)設(shè)置一隊列，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對該線路的輸出隊列公平對待，輪流輸出一分組，因此，發(fā)送分組較多的源主機(jī)并不能獲得更多的發(fā)送機(jī)會（可以制約收到限流分組而不減少發(fā)送數(shù)據(jù)的主機(jī)）。

公平排隊法以分組為基礎(chǔ)計算隊列長度，對于像ATM這樣定長信元的分組的確較公平，但對多數(shù)協(xié)議，由于分組長度是變化的，因此并不一定能實現(xiàn)對各信息源數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫浴Ｓ腥私ㄗh的一種替代辦法是：對各隊列中的隊首分組進(jìn)行字節(jié)計數(shù)，按從短到長的發(fā)送順序排列在輸出線路上。

以上兩種方法都強(qiáng)調(diào)對各信息源的公平性，但是，如果不同的信息流需要不同的服務(wù)質(zhì)量，特別是不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，則這種“公平性”就不太合理（不同的用戶可能租用不同速率的傳輸服務(wù)，繳納不同等級的費用）。因此，有人提出了加權(quán)公平排隊算法，對不同的信息源給予不同的權(quán)值，方法之一是以同一信息源主機(jī)建立的虛電路（連接）數(shù)為基礎(chǔ)賦予權(quán)值。

上述幾種方法都是基于“端到端”限流的方法，對于遠(yuǎn)距離傳輸，限流分組到達(dá)源端主機(jī)時間較長，緩解擁塞的效果可能不夠明顯。為此，可以采取逐級限流的方法，即限流分組直接反向發(fā)給上一節(jié)點或沿反向路徑中的所有節(jié)點，上一節(jié)點或反向路徑上的所有節(jié)點都立即減流，迅速緩解對擁塞節(jié)點的壓力。

擁塞控制的最后一招，也是最有效的手段是丟棄分組。如果上述手段仍無法緩解或消除擁塞，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以將部分分組丟棄，這種方法被稱為“泄流法”（Load Shedding）。由于網(wǎng)中的分組丟棄后造成的影響因應(yīng)用不同而不同，如文件傳輸數(shù)據(jù)流的丟棄需要造成重傳，而圖像、話音部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失可能影響不大等等，因此，應(yīng)當(dāng)采用選擇性地丟棄策略。在某些網(wǎng)絡(luò)中，如ATM網(wǎng)，對數(shù)據(jù)丟棄定義了優(yōu)先權(quán)，這樣網(wǎng)絡(luò)較容易實現(xiàn)合理地丟棄分組策略。

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