控流量 防擁塞

包駿

隨著Internet本身規模的迅速擴大、Internet用戶數的劇增，以及網絡應用類型的快速增加，網絡正經歷越來越多的包丟失和其他的性能惡化問題，其中一個比較嚴重的現象就是網絡擁塞。造成網絡擁塞的原因很多，主要有存儲空間不足、帶寬容量不足、處理器處理能力弱、TCP/IP協議擁塞控制機制中的缺陷、用戶的惡意攻擊等。 在當前的Internet中，既然網絡擁塞是無法避免的，就必須采取積極主動的策略控制和避免擁塞，把擁塞發生的可能性降到最低，即使在發生擁塞后也能及時地恢復到正常運行狀態；同時擁塞控制也必須保證網絡效率。因此，網絡擁塞控制是網絡系統改善性能、提高服務質量的主要手段。

互聯網網絡流量的控制

互聯網網絡流量控制用于防止在端口阻塞的情況下丟幀，這種方法是當發送或接收緩沖區開始溢出時通過將阻塞信號發送回源地址實現的。流量控制可以有效地防止由于網絡中瞬間的大量數據對網絡帶來的沖擊，保證用戶網絡高效而穩定的運行。

兩種流量控制方式

在互聯網絡中有兩種流量控制方式，它們分別是半雙工方式和全雙工方式。在半雙工方式下，流量控制是通過反向壓力，即通常說的背壓計數實現的，這種計數是通過向發送源發送jamming信號使得信息源降低發送速度。在全雙工方式下，流量控制一般遵循IEEE.802.3X標準，是由交換機向信息源發送“pause”幀令其暫停發送。采用流量控制，使傳送和接受節點間數據流量得到控制，可以防止數據包丟失。

互聯網網絡流量監測目的

網絡測量的直接目的是獲取與網絡運行有關的流量數據，而這些流量數據最終將服務于網絡工程的各個方面。從總體上說，可以包括流量描述、網絡監控和流量控制三個方面。

流量描述的任務之一是識別流量的模式，尤其是峰值流量的模式，以及這些模式的變化。同時，對流量模式的分析應該具有多個時間尺度。其次，分析網絡流量在網絡上的分布也很重要。流量分布可以使基于一些對象的：流、網絡接口、鏈路、節點、節點對、路徑或者目標節點。第三，流量描述還應該根據不同的路由器和網絡上不同服務類型數據的表現來預測未來的流量負載。第四，從長遠來看，對流量模式的研究可以預測流量的變化趨勢，從而對未來協議的設計等工作提供指導。

網絡監測是網絡測量領域很重要的一部分。對于某些對可靠性要求很高的網絡而言，網絡監控本身就是網絡維護不可分割的一部分。首先，網絡監測可以自監測網絡目前的運行狀態，找出錯誤的或者可能導致錯誤的設備或者操作。一般用戶在使用網絡時，都知道用ping或者traceroute等命令來監測當前網絡的運行狀況，其實這本身就是一種網絡測量行為。其次，由于網絡服務的多樣化，服務質量的控制越來越重要了。網絡監測可以監視網絡服務質量和連續性，可以保證服務質量或服務等級得到有效地執行，可以對某個特定的服務提供性能上的監控。第三，隨著MPLS等具有網絡流量工程功能的路由協議的應用，網絡監控可以用來監測流量工程策略的有效性，同時可以在網絡性能的參數達到閥值的時候激活相應的策略。第四，ISP為用戶提供Internet服務都不是獨立的，不同的ISP之間需要按照某種協議互相協作，以便為用戶提供最好的服務。因此網絡監控還擔負起了在邊界路由器監控不同服務提供商之間的流量的任務。這一任務包括對網絡內部和網絡之間流量的交換進行估計，以及服務提供商之間各式各樣的流量交換提供服務。

互聯網網絡流量擁塞控制

擁塞現象是指到達通信子網中某一部分的分組數量過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分乃至整個網絡性能下降的現象，嚴重時甚至會導致網絡通信業務陷入停頓，即出現死鎖現象。這就好比是公路網絡中經常所見的交通擁擠，當假日公路網中車輛大量增加時，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達目的地的時間都相對增加，即延遲增加，甚至有時在某段公路上車輛因堵塞而無法開動，即發生局部死鎖。

發生擁塞的原因

網絡的吞吐量與通信子網負荷，即通信子網中正在傳輸的分組數，有著密切的關系。當通信子網負荷比較小時，網絡的吞吐量（分組數/秒）隨網絡負荷（每個節點中分組的平均數）的增加而線性增加。當網絡負荷增加到某一值后，弱網絡吞吐量反而下降，則表征網絡中出現了擁塞現象。

在一個出現擁塞現象的網絡中，達到某個節點的分組將會遇到無緩沖區可用的情況，從而使這些分組不得不由前一個節點重傳，或者需要由源節點或源端系統重傳。當擁塞比較嚴重時，通信子網中相當多的傳輸能力和節點緩沖器都用于這種無謂的重傳，從而使通信子網的有效吞吐量下降。由此引起惡性循環，使通信子網的局部甚至全部處于死鎖狀態，最終導致網絡有效吞吐量接近為零。

擁塞控制的方法

緩沖區預分配法。該法用于虛電路分組交換網中。在建立虛電路時，讓呼叫請求分組途經的節點為虛電路預先分配一個或多個數據緩沖區。若某個節點緩沖器已被占滿，則呼叫請求分組另擇路由，或者返回一個“忙”信號給呼叫者。這樣，通過途經的各節點為每條虛電路開設的永久性緩沖區（直到虛電路拆除），就總能有空間來接納并轉送經過的分組。此時的分組交換跟電路交換很相似。當節點收到一個分組并將它轉發出去之后，該節點向發送節點返回一個確認信息。該確認一方面表示接收節點已正確收到分組，另一方面告訴發送節點，該節點已空出緩沖區以備接收下一個分組。上面是“停一等”協議下的情況，若節點之間的協議允許多個未處理的分組存在，則為了完全消除擁塞的可能性，每個節點要為每條虛電路保留等價于窗口大小數量的緩沖區。這種方法不管有沒有通信量，都有可觀的資源（線路容量或存儲空間）被某個連接占有，因此網絡資源的有效利用率不高。這種控制方法主要用于要求高帶寬和低延遲的場合，例如傳送數字化語音信息的虛電路。

分組丟棄法。該法不必預先保留緩沖區，當緩沖區占滿時，將到來的分組丟棄。若通信子網提供的是數據報服務，則用分組丟棄法來防止擁塞發生不會引起大的影響。但若通信子網提供的是虛電路服務，則必須在某處保存被丟棄分組的備份，以便擁塞解決后能重新傳送。因此有兩種解決被丟棄分組重發的方法，一種是讓發送被丟棄分組的節點超時，并重新發送分組直至分組被收到；另一種是讓發送被丟棄分組的節點在嘗試一定次數后放棄發送，并迫使數據源節點超時而重新開始發送。但是不加分辨地隨意丟棄分組也不妥，因為一個包含確認信息的分組可以釋放節點的緩沖區，若因節點元空余緩沖區來接收含確認信息的分組，這便使節點緩沖區失去了一次釋放的機會。解決這個問題的方法可以為每條輸入鏈路永久地保留一塊緩沖區，以用于接納并檢測所有進入的分組，對于捎帶確認信息的分組，在利用了所捎帶的確認釋放緩沖區后，再將該分組丟棄或將該捎帶好消息的分組保存在剛空出的緩沖區中。

定額控制法。這種方法在通信子網中設置適當數量的稱作“許可證”的特殊信息，一部分許可證在通信子網開始工作前預先以某種策略分配給各個源節點，另一部分則在子網開始工作后在網中四處環游。當源節點要發送來自源端系統的分組時，它必須首先擁有許可證，并且每發送一個分組注銷一張許可證。目的節點方則每收到一個分組并將其遞交給目的端系統后，便生成一張許可證，這樣便可確保子網中分組數不會超過許可證的數量，從而防止了擁塞的發生。endprint