四种拥塞控制算法PPT
分析TCP的拥塞控制原理
分析TCP的拥塞控制原理TCP的拥塞控制是一种基于网络状况调节发送速率的算法，它确保发送端不会引起网络的过载，避免网络拥塞的发生。
其基本原理是通过控制拥塞窗口大小来适应网络的容量和负载。
拥塞控制算法主要有四种：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。
慢开始算法是TCP连接建立后的初始阶段。
发送方会先将拥塞窗口设置为一个较小的值，然后每当它收到一个确认报文时，拥塞窗口就会加倍。
这样一开始发送的数据量较小，逐渐增加，直到网络拥塞发生，发生超时或者达到了一个拥塞门限的值。
拥塞避免算法是为了防止拥塞窗口增长得太快而引起网络拥塞。
在拥塞避免阶段，发送方每收到一个确认报文都会将拥塞窗口增加一个较小的固定值，而不是加倍。
这样可以避免发送速率增长过快，更好地适应网络的变化。
快重传算法是为了解决网络拥塞时的丢包问题。
当发送方连续收到三个重复的确认报文时，就会立即重传对应的报文段，而不需要等待超时的计时器。
这样可以更及时地发现丢包情况，并减少重传的延迟。
快恢复算法是为了解决丢包后拥塞窗口减半的问题。
当发生丢包时，发送方会将拥塞窗口减半，然后进入拥塞避免算法。
但是，如果发送方在接下来的时间里收到了多个确认报文，它会将拥塞窗口逐渐增加一个固定值，而不是直接将其加倍。
这样可以更加平滑地恢复拥塞窗口大小，提高网络的利用率。
总结来说，TCP的拥塞控制原理是根据网络状况动态地调整发送速率，以避免网络的过载和拥塞。
它通过控制拥塞窗口大小来适应网络的容量和负载，并通过慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复等算法来实现。
这些算法的目标都是平衡发送速率和网络状况，使得数据能够稳定、可靠地传输。
计算机网络中的拥塞控制和流量控制
方法：使用令牌桶或漏桶算法，对超过限制速率的数据 包进行丢弃或延迟处理。
03
TCP/IP协议中拥塞控制与流量 控制机制
TCP协议中拥塞控制机制
慢启动（Slow Start）：在连接建立初 期，TCP发送方通过慢启动算法逐渐增 加发送窗口大小，以避免网络拥塞。初 始时，发送窗口大小设置为一个最大报 文段（MSS），然后每次成功接收确 认报文后，窗口大小加倍，直到达到接 收方通告的窗口大小或发生拥塞。
跨层优化算法设计
针对无线网络的特点和需求，设计跨层优化的拥塞控制和流量控制算法。例如，可以综合 考虑信道质量、节点移动性和能量状况等因素，设计自适应的速率控制和功率控制算法。
06
总结与展望
当前存在问题和挑战
拥塞控制算法的性能问题
现有的拥塞控制算法在处理网络拥塞时，可能会遇到性能 瓶颈，如在高速网络中，传统的TCP拥塞控制算法可能无 法充分利用网络带宽。
跨层优化技术可以综合考虑网 络协议栈各层之间的相互影响 ，为拥塞控制提供更加全面的 视角和解决方案。
THANKS
感谢观看
流量控制机制的灵活性不足
当前的流量控制机制在处理突发流量时，可能缺乏足够的 灵活性，导致网络性能的下降。
网络设备的异构性
由于网络设备的多样性和异构性，使得拥塞控制和流量控 制算法的设计和实现变得更加复杂。
未来发展趋势及创新点预测
基于机器学习的拥塞控制
利用机器学习技术，可以构建 更加智能的拥塞控制算法，根 据网络状态和用户行为动态调 整拥塞控制策略，提高网络性 能。
IP协议中流量控制机制
令牌桶算法（Token Bucket）
该算法限制数据发送速率，允许突发数据传输。令牌以固定速率放入桶中，每个 令牌代表一个字节的传输权限。当桶中有足够的令牌时，数据可以被发送。否则 ，数据将被缓存或丢弃。
第5章运输层的拥塞控制
线性规律增长
24 20 16 12 8 4 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 进入拥塞避免 ssthresh = 16
发生超ห้องสมุดไป่ตู้ 进入拥塞避免 更新后的 ssthresh = 12
指数规律增长 传输次数 12 14 16 慢开始 18 20 22 拥塞避免 拥塞避免
当 cwnd = 12 时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口 按按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一 个 MSS 的大小。
发生超时 进入拥塞避免 更新后的 ssthresh = 12
指数规律增长 传输次数 12 14 16 慢开始 18 20 22 拥塞避免 拥塞避免
在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1， 发送第一个报文段 M0。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
线性规律增长
24 20 16 12 8 4 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 进入拥塞避免 ssthresh = 16
注意
在采用快恢复算法时，慢开始算法只是 在TCP连接建立时和网络出现超时时 才使用。见P212图5-27所示。 请做P222第5-39题
课件制作人：谢希仁
书后作业
P220 5-13 5-21（1） 5-23 5-28 5-38 5-39 5-41 5-46
课件制作人：谢希仁
课件制作人：谢希仁
慢开始算法的原理
由小到大逐渐增大发送窗口，也就是逐渐增大拥塞 窗口； 在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段 MSS 的数值；
在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口 增加至多一个 MSS 的数值；
第十七讲 网络层之三：拥塞控制算法
C S=
M-
当C = 250K；M = 25MBps； = 2MBps； S = 250K/230000K 10.8ms
在S秒内以25MBps的速率发送一部分； 其余的只能以2MBps的速率发送；
1.数据链路层 •重传策略 •乱序缓存策略 •确认策略 •流量控制策略
回退N算法比选择重传算 法对网络负载的影响更大
缓存乱序包比丢弃对 网络负载的影响小
“捎带”减少立即确 认带来的额外负载
网络层窗口的大小 可影响数据传输率
2.网络层
•虚电路与数据报的拥塞控制算法不同
•包队列和服务策略
一个输入队列、一个输出队列 排队规则(先来先到或优先级)
反馈拥塞信息
丢弃包的比例； 平均队列长度； 超时和重发包的数量； 平均包延迟；
检测到拥塞的路由器向源端发警告包 通过设置包中某位或某字段来通知它的邻接节点 主机和路由器定期发送探测包显式询问拥塞状况
调整系统操作减少拥塞
增加资源
降低负载
三. 拥塞控制的预防策略
在不同层次使用适当的策略使发 生拥塞的可能性降至最低。
将主机用户进程输出 的不规则包流转换为 输入网络的均速包流
接口包含 一个漏桶
Q：包大小可变怎么办？ 以字节计数
network
无规律 的包流
漏桶中 装包
有规律 的包流
•字节计数漏桶算法
每节拍初始时，计数器为n； 如队列第一个包的字节数<当前计数器的值
则将其发送并修改计数器的值 如果队列第一个包的字节数>当前计数器的值
则停止传输，等待下一节拍的开始。
TCP拥塞控制：Tahoe、Reno、NewReno与SACK算法概述与比较
为达此目的，在传送开始时，采用了慢启动机制，这个机 制在修复了由重发定时器探测到的数据丢失之后也被采用。
TCP Tahoe
在慢启动阶段，拥塞窗口(cwnd)随着确认的到来以指数方 式递增(这种以ACK来触发TRANSMIT的机制，被VJ称为"ACK clocking"，或"self-clocking")，直到到达阀值ssthresh ； 之后TCP进入拥塞避免阶段，cwnd每隔RTT以线性方式递 增1个单位。 如果连续收到3个重复确认，TCP不等重传定时器溢出，马 上重传丢失的报文段，这称为快速重传； 之后TCP返回慢启动状态。
=> congestion Knee – point after which
knee
cliff
packet loss congestion collapse
Throughput 增加非常缓慢
Cliff – point after which
Throughput 迅速减少到0(congestion collapse)
Additive increase, multiplicative decrease aI>0, bI=1, aD=0, 0<bD<1 How to start? Implicit congestion signal Loss Need to send packets to detect congestion Must reconcile（一致） with AIMD How to maintain equilibrium（均衡）? Use ACK: send a new packet only after you receive an ACK. Maintain number of packets in network “constant”
10 流量和拥塞控制PPT课件
–虚电路或数据报传输方式 –重传的策略
–乱序缓存的策略 –分组排队和服务的策略
–乱序缓存的策略
–应答的策略
–分组丢弃的策略
–应答的策略
–流控的策略
–路由的算法
–流控的策略
–分组寿命管理
–定时的确定
17
流量和拥塞控制技术
集中式流量拥塞控制：网络中有一个特定的 网络节点为各个节点计算报文流量的分配值， 将分配值传送给个节点。
拥塞原因： 1. 同一节点的多个输入分组要求同一条输出链路 2. 处理器速度低或链路带宽不够 3. 拥塞导致的分组重发加重拥塞 4. 特殊情况的死锁
3
特殊情况的死锁
A
A
B
C
B
a. 直接存储转发死锁
DE
F
b. 间接存储转发死锁
c. 重装死锁 4
网络数据流的控制技术分类
1. 流量控制：限制网络上两个节点之间的数据流量， 以满足接收端的承受能力，避免过载。
业务整形：调整数据传输的平均速率以及突发性。用户和子网之 间共同协商一个业务流模型，用户按照协商的模型发送分组，子 网将确保按时发送这些分组。子网对该用户的业务流进行监视。
漏斗算法：漏斗是一个容量有限的队列缓存。当漏斗满时，新到 的分组将被丢弃。只要队列的长度不为0，分组就会以恒定的速率 进而网络。
单链路用户 1单位/秒
单链路用户 1单位/秒
10
流量和拥塞控制的功能
1. 防止由于网络和用户过载而产生的吞吐量降 低及响应时间增长；
2. 避免死锁； 3. 在用户之间合理分配资源； 4. 网络及用户之间的速率匹配。
11
拥塞控制的基本原理
寻找输入业务对网络资源的要求小于网络可 用资源成立的条件。
第四讲(备课专用)：网络拥塞控制
网络化控制系统 第四讲 网络拥塞控制
郑辑光 电信学院、检测所 2012年10月14日星期日
网络拥塞控制
拥塞控制的基本概念 TCP/IP的拥塞控制 基于控制理论的网络拥塞闭环控制方法 拥塞控制的研究热点
课堂讲义
2
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
①发送分组 ⑥丢掉B 发来的分 组 ③丢掉A 发来的分 组
A
分组1 分组2 分组3 ④发送分组
B
分组1 分组2 分组3
⑤节点A 的缓存已 满
②节点B 的缓存已 满
分组n
分组m
图 直接死锁的例
课堂讲义
7
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
基金会现场总线技术
拥塞控制
(2)重装死锁:由于路由器的缓存的拥塞而引起的死锁. 设三个报文A, B和C经过路由器P, Q和R发往主机H. 每一个报文由4个分组构成. 又设每个路由器的缓存只 能容纳4个分组.
课堂讲义
12
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
基金会现场总线技术
吞吐量与延迟之比是负载的函数
资源分配有效性
Optimal load
课堂讲义
AOTONG UNIVERSITY 基金会现场总线技术
网络拥塞控制的一般原则
为了最大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态 时应该是比较理想的，但这也增加了拥塞崩溃的可能性， 因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限制。 如何解决网络拥塞问题？ 1）增加网络资源能力——通过动态配置网络资源来提高 网络容量。 2）降低负载要求—— （1）拒绝服务：在拥塞发生时，拒绝接纳新的用户要 求。 （2）降低服务质量：所有用户（包括新用户）在拥塞 时降低其发送速率。 （3）调度分配：合理安排用户对网络资源的使用，保 证总需求永远小于网络可用资源。
TCP系列39—拥塞控制—2、拥塞相关算法及基础知识
TCP系列39—拥塞控制—2、拥塞相关算法及基础知识⼀、拥塞控制的相关算法早期的TCP协议只有基于窗⼝的流控（flow control）机制⽽没有拥塞控制机制，因⽽易导致⽹络拥塞。
1988年Jacobson针对TCP在⽹络拥塞控制⽅⾯的不⾜，提出了“慢启动(Slow Start)”和“拥塞避免(Congestion Avoidance)”算法。
1990年Jacobson⼜做了两个修正。
在这⼆⼗来年的发展过程中，与拥塞控制相关的有四个⽐较重要的版本：TCP Tahoe、TCP Reno、TCP NewReno和TCP SACK。
TCP Tahoe是早期的TCP版本，它包括了3个最基本的算法－“慢启动”、“拥塞避免”和“快速重传(Fast Retransmit)”，但是在Tahoe版本中对于超时重传和快速重传的处理相同，⼀旦发⽣重传就会开始慢启动过程。
TCP Reno则在TCP Tahoe基础上增加了“快速恢复(Fast Recovery)”算法，针对快速重传作出特殊处理，避免了⽹络拥塞不严重时采⽤“慢启动”算法⽽造成过度减⼩发送窗⼝尺⼨的现象。
TCP NewReno对TCP Reno中的“快速恢复”算法进⾏了修正，它考虑了⼀个发送窗⼝内多个数据包丢失的情况。
在Reno版中，发送端收到⼀个新的ack number后就退出“快速恢复” 阶段，⽽在NewReno版中，只有当所有的数据包都被确认后才退出“快速恢复”阶段。
TCP SACK关注的也是⼀个窗⼝内多个数据包丢失的情况，它避免了之前版本的TCP重传⼀个窗⼝内所有数据包的情况，包括那些已经被接收端正确接收的数据包，⽽只是重传那些被丢弃的数据包。
传统的TCP拥塞控制算法主要就由慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复这4个基础算法组成，这四个基础算法在RFC5681规范中进⾏了描述。
后续我们将会分别对这些拥塞控制相关的算法做介绍，在介绍这些拥塞控制的相关算法之前我们先介绍⼀下拥塞控制中的数据包守恒原则和linux中拥塞控制的背景知识，以⽅便后⾯进⾏更进⼀步的介绍。
网络层之拥塞控制
本幻灯片未授权除北京大学以外的任何单位或个人用作任何用途
通信量整形—令牌桶算法
●
基本令牌桶算法的实现 ♦令牌以包为单位 设置一计数器每隔△t加1 每发送一包减1 当计数器为0时禁止发送包 ♦令牌代表k个字节 每隔△t 加 k，每发送一个包减去该 包长度。
2
节点4
5
1
本幻灯片未授权除北京大学以外的任何单位或个人用作任何用途
拥塞控制概述
●
包交换网络的交换过程 ♦排在输入缓冲区 ♦做路由决策 ♦排队输出 统计TDM
本幻灯片未授权除北京大学以外的任何单位或个人用作任何用途
漏桶输 出速率
T= 25MB/s, 11ms
100ms
1 - S*25MBps 2MBps
2MB/s, 364ms
= 364ms
突发数据持续时间 400ms 500ms
200ms
300ms
本幻灯片未授权除北京大学以外的任何单位或个人用作任何用途
通信量整形—流说明
本幻灯片未授权除北京大学以外的任何单位或个人用作任何用途
通信量整形—漏桶算法
●
实例1
计算机产生包的速率为25MBps； 突发数据长度为1MB； 网络运行速率为25MBps； 路由器平均最佳工作速率 ≤ 2MBps； 漏桶 速率ρ＝2MBps 容量C＝1MB
通信量整形—漏桶算法
●
字节计数漏桶算法
♦每节拍初始时，计数器为n； ♦如队列第一个包的字节数<当前计数器的值， 则将其发送并修改计数器的值 ♦如果队列第一个包的字节数>当前计数器的值， 则停止传输，等待下一节拍的开始。
●
漏桶算法的缺点
不管突发通信量的大小，输出速率保持不变。
计算机网络中的拥塞控制算法
计算机网络中的拥塞控制算法随着互联网普及和用户数量的增加，网络拥塞问题日益严重，为了解决这一问题，拥塞控制算法应运而生。
拥塞控制是指在网络过度拥塞时，采取一定的措施来减少网络拥堵及网络的延迟，从而提高网络性能和用户体验。
本文将介绍计算机网络中常用的几种拥塞控制算法。
TCP Reno算法TCP Reno算法是TCP的一种变种，也是目前最常用的拥塞控制算法之一。
TCP Reno根据网络拥塞的程度调整数据流量，具体实现过程如下：当网络没有出现拥塞时，TCP Reno的拥塞窗口增长速度很快，每发送一个数据包就会将拥塞窗口加1，从而最大限度地利用网络带宽。
当网络出现拥塞时，TCP Reno会收到三个ACK（确认信息），说明有数据包丢失了。
此时，TCP Reno 会将拥塞窗口减小，并通过重传数据包等方法来保证数据的传输。
当网络恢复正常后，TCP Reno会逐渐增大拥塞窗口，以达到最大限度地利用网络带宽。
TCP Vegas算法TCP Vegas算法是另一种流行的拥塞控制算法。
它主要通过计算网络延迟来控制拥塞窗口大小，实现修正网络拥堵问题。
TCP Vegas通过计算网络延迟时间来调整发送对象的速度，因此当网络中的拥塞程度增加时，TCP Vegas算法会立即减小发送速度，而不是等待数据包丢失后才进行调整，从而减少了数据包的丢失率。
TCP Vegas算法的一个缺点是它缺乏流控制，导致其不能有效地限制数据发送量。
因此，在实际应用中，TCP Vegas通常与TCP Reno或其他流控制机制组合使用，以提高网络的性能和稳定性。
TCP BIC算法TCP BIC算法是基于TCP Reno和TCP Vegas算法的改进版本。
TCP BIC使用线性增长和二次降低来控制窗口拥塞。
当网络拥塞时，TCP BIC通过减小窗口大小来降低发送速度，以减少数据包的丢失率和传输时延。
与TCP Reno不同，TCP BIC通过使用线性增长和积极降低拥塞窗口，可以更好地控制网络流量。
四种拥塞控制算法PPT
发送端每收到一个确认 ，就把 cwnd 加 1。于是发送端可以接着发送 M1 和 M2 两个 报文段。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞
“乘法减小”
拥塞避免 “加法增大”
当拥塞窗口 cwnd 增长到慢开始门限值 ssthresh 时（即当 cwnd = 16 时），就改为 执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
…
t
传输轮次
• 使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。
• 一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT。 • “传输轮次”更加强调：把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的 报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字 节的确认。 • 例如，拥塞窗口 cwnd = 4，这时的往返时间 RTT 就是发 送方连续发送 4 个报文段，并收到这 4 个报文段的确认， 总共经历的时间。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞
“乘法减小” 拥塞避免 “加法增大”
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始
慢开始
在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1，发送第一个报文段 M0。
网络层 拥塞控制PPT课件
网络层主要内容
网络层概述
网络层的地位 网络层需要解决的问题 数据报和虚电路 网络层提供的服务
拥塞控制算法
拥塞控制的基本原理 开环控制
拥塞预防策略 通信量整形(漏桶和令牌桶) 流说明
闭环控制
虚电路网络中的拥塞控制 抑制分组 负载丢弃
路由算法
最优化原则 最短路径路由算法 洪泛算法 基于流量的路由算法 距离向量路由算法 链路状态路由算法 分级路由
路由算法分类
非自适应算法(静态路由算法)：按照预先计算好的(off-line)信息进 行路由。
自适应算法(动态路由算法)：根据网络拓扑结构，通信量等地变化 来改变路由。
最优化原则
最优化原则(optimality principle)
如果路由器 J 在路由器 I 到 K 的最优路由上，那么从 J 到 K 的最优路由 会落在同一路由上。
这两个结点就这样一直互相僵持着，谁也无法成功地发送出一个分 组。
拥塞控制
死锁主要有两种:一种是直接死锁,另一种重装死锁. (1)直接死锁:即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁.
⑥丢掉B 发来的 分组
⑤节点A 的缓存已
满
A
分组1 分组2 分组3
①发送分组 ④发送分组
B
分组1 分组2 分组3
③丢掉A 发来的 分组
流量控制与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接 收方的问题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。
拥塞控制
2. 拥塞控制与流量控制的关系
吞吐量 子网的最大 传输容量
网络吞吐量 =网络负载
0
理想的流 量控制
吞吐量饱和
轻度拥塞
拥塞
图 拥塞控制所起的作用
计算机网络中的拥塞控制算法
计算机网络中的拥塞控制算法计算机网络中的拥塞控制算法是网络中的一项关键技术，用于解决网络拥塞问题，保证网络通信的可靠性和高效性。
本文将介绍拥塞控制的概念，各种拥塞控制算法的原理和应用，并探讨未来发展的趋势。
一、拥塞控制的概念拥塞是指在网络中出现过多的流量，超过了网络设备或链路的处理能力，导致数据传输延迟增加、丢包率升高等问题。
拥塞控制的目标是通过控制发送方的数据流量，使网络恢复到稳定状态，避免过度拥塞和丢包。
二、AIMD算法Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) 算法是一种常用的拥塞控制算法。
该算法通过不断调整发送方的拥塞窗口大小来控制流量。
发送方会以加法递增的方式增加拥塞窗口的大小，当检测到网络拥塞时，则以乘法递减的方式减小拥塞窗口的大小。
AIMD算法能够对网络进行适应性调整，提高网络的吞吐量和稳定性。
三、TCP拥塞控制算法在TCP协议中，也有一系列拥塞控制算法，例如TCP Reno、TCP New Reno和TCP Vegas等。
TCP Reno算法根据丢包来判断网络的拥塞程度，并通过减小拥塞窗口的大小来缓解拥塞。
TCP New Reno算法在TCP Reno的基础上进行了改进，能够更好地处理丢包情况。
TCP Vegas算法则是基于网络延迟来进行拥塞控制的。
四、流量控制和拥塞控制的区别流量控制和拥塞控制都是为了解决数据通信中的问题，但目标和方法略有不同。
流量控制是通过控制发送方和接收方的数据传输速率来避免接收方无法处理过多的数据。
拥塞控制则是通过调整发送方的数据流量来避免过度拥塞和网络崩溃。
流量控制更侧重于接收端的处理能力，而拥塞控制更关注整个网络的稳定性。
五、最新发展与挑战随着互联网的发展，网络流量越来越大，对拥塞控制算法提出了新的挑战。
现有的拥塞控制算法在面对高速长距离网络和大规模数据中心等场景时可能表现不佳。
因此，研究者们提出了一些新的算法和技术，例如基于机器学习的拥塞控制、基于人工智能的拥塞控制等，以应对新挑战。
计算机网络的拥塞控制
计算机网络的拥塞控制计算机网络中的拥塞是指当网络中的流量超过了网络链路或节点的处理能力时所产生的现象。
当网络发生拥塞时，数据传输的性能会受到影响，甚至可能导致数据丢失或延迟增加。
为了解决网络拥塞问题，计算机网络采用了各种拥塞控制机制。
一、概述拥塞控制是计算机网络中的一个重要问题，它主要关注如何控制网络中的流量，以保证网络的性能和可靠性。
拥塞控制机制旨在根据网络的拥塞程度，合理地控制数据的发送速率，从而避免网络拥塞的发生。
二、拥塞控制算法1. AIMD算法AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）算法是一种经典的拥塞控制算法。
该算法通过不断调整发送速率来适应网络的拥塞情况。
当网络没有发生拥塞时，发送速率增加；当网络发生拥塞时，发送速率减小。
2. RED算法RED（Random Early Detection）算法是一种主动队列管理算法。
该算法通过在网络节点的队列中监测队列长度来估计网络的拥塞程度，并根据拥塞程度来调整数据的传输速率，从而实现拥塞控制。
3. ECN机制ECN（Explicit Congestion Notification）机制是一种基于IP网络的拥塞控制机制。
该机制通过在数据包的IP头部添加拥塞标志位来表示网络的拥塞程度，从而让网络节点可以根据拥塞程度来调整数据的传输速率。
三、拥塞控制策略1. 负反馈控制负反馈控制是一种常用的拥塞控制策略，它主要通过监测网络的拥塞情况，并根据拥塞情况来动态调整数据的传输速率。
负反馈控制可以有效地避免网络拥塞的发生，并保持网络的稳定性和可靠性。
2. 规避策略规避策略是一种基于预测的拥塞控制策略，它通过分析网络的负载和拥塞状况，提前采取措施来规避网络拥塞的发生。
规避策略可以在网络出现拥塞之前就进行调整，从而避免拥塞对网络性能造成的不良影响。
3. 分级拥塞控制分级拥塞控制是一种将网络流量分为不同优先级的策略，通过给不同优先级的流量分配不同的网络资源，从而实现对网络拥塞的控制。
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计算机科学与技术 卢连女
拥塞
• 拥塞：在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资 源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏 • 出现资源拥塞的条件： 对资源需求的总和 > 可用资源 • 为什么要控制拥塞： 若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要 明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞
“乘法减小” 拥塞避免 “加法增大”
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始
慢开始
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞 “乘法减小”
拥塞避免 “加法增大”
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始
慢开始
发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值。我们假 定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。
具体如后图所示
发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。
cwnd = 1
发送方 发送 M1
接收方 确认 M1
轮次 1
轮次 2
cwnd = 2
cwnd = 4
发送 M2~M3
发送 M4~M7
确认 M2~M3 确认 M4~M7
轮次 3 cwnd = 8 发送 M8~M15 t
3.快重传
• 快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报 文段后就立即发出重复确认。这样做可以让发送 方及早知道有报文段没有到达接收方。 • 发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重 传对方尚未收到的报文段。 • 不难看出，快重传并非取消重传计时器，而是在 某些情况下可更早地重传丢失的报文段。
快重传举例
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞 “乘法减小”
拥塞避免 “加法增大”
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始
慢开始
AIMD算法
在TCP拥塞控制的文献中，经常可看见“乘 法减小”（Multiplicative Decrease）和“加法 增大”（Additive Increase）这样的提法。 这两种算法合起来常称为AIMD算法。
乘法减小 • 无论慢开始还是拥塞避免阶段，只要出现超时，就把慢开始门限值 ssthresh 减半，即设置为当前的拥塞窗口的一半（与此同时，执行 慢开始算法）。 • 当网络频繁出现拥塞时， ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注 入到网络中的分组数。 加法增大 • 执行拥塞避免算法后，使拥塞窗口缓慢增大 • 以防止网络过早出现拥塞 必须强调指出 • “拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全 避免网络拥塞还是不可能的。 • “拥塞避免”是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增 长，使网络比较不容易出现拥塞。
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始 接收端共发回两个确认。发送端每收到一个对新报文段的确认，就把发送端的 cwnd 加 1。现在 cwnd 从 2 增大到 4，并可接着发送后面的 4 个报文段。
慢开始
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
慢启动门限(ssthresh)的设置
• 慢开始门限 ssthresh 的用法如下： • 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法。 • 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞 避免算法。 • 当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用 拥塞避免算法。 • 拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口 cwnd 缓慢地增大， 即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1，而不是加倍，使拥塞窗口 cwnd 按线性规律 缓慢增长。
发送端每收到一个确认 ，就把 cwnd 加 1。于是发送端可以接着发送 M1 和 M2 两个 报文段。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞
“乘法减小”
拥塞避免 “加法增大”
几种常见TCP的拥塞控制算法
• • • • • • • 1.慢开始算法 2.拥塞避免算法 3.快重传算法 4.快恢复算法 我们假设： 1.数据是单方向传送，而另一个方向只传送确认。 2.接收方总是有足够大的缓存空间，因而发送窗 口的大小由网络的拥塞程度来决定。
1.慢开始算法
•
最初的TCP在连接建立成功后会向网络中发送大量的数据包， 这样很容易导致网络中路由器缓存空间耗尽，从而发生拥塞。 因此新建立的连接不能够一开始就大量发送数据包，而只能根 据网络情况逐步增加每次发送的数据量，以避免上述现象的发 生。 • 发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd (congestion window)的状 态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地 在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。如再考虑到 接收方的接收能力，则发送窗口还可能小于拥塞窗口。（取决 于接收方缓存空间的大小） • 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥 塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网 络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分 组数。
…
t
传输轮次
• 使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。
• 一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT。 • “传输轮次”更加强调：把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的 报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字 节的确认。 • 例如，拥塞窗口 cwnd = 4，这时的往返时间 RTT 就是发 送方连续发送 4 个报文段，并收到这 4 个报文段的确认， 总共经历的时间。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
网络拥塞
“乘法减小” 拥塞避免 “加法增大”
指数规律增长
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
传输轮次
22
慢开始
慢开始
拥塞控制算法的引入
TCP有一个端对端通告的接收窗口(rwnd)。窗口值的大小就代表能 够发送出去的但还没有收到ACK（确认）的最大数据报文段，显然窗 口越大那么数据发送的速度也就越快，但是也越有可能使得网络出现 拥塞， • 如果窗口值为1，那么就简化为一个停等协议，每发送一个数据， 都要等到对方的确认才能发送第二个数据包，显然数据传输效率低下。 • TCP的拥塞控制算法就是要在这两者之间权衡，选取最好的cwnd值， 从而使得网络吞吐量最大化且不产生拥塞。
发送方 发送 M1 发送 M2 发送 M3 发送 M4
接收方
确认 M1
丢失 ？
确认 M2 重复确认 M2 重复确认 M2 重复确认 M2
发送 M5
收到三个连续的 对 M2 的重复确认 立即重传 M3
发送 M6 发送 M7 t
t
4.快恢复算法
(1) 当发送端收到连续三个重复的确认时，就执行“乘法减小” 算法，把慢开始门限 ssthresh 减半。但接下去不执行慢开 始算法。 (2)由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此现在 不执行慢开始算法，即拥塞窗口 cwnd 现在不设置为 1， 而是设置为慢开始门限 ssthresh 减半后的数值，然后开始 执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地 线性增大。
慢开始算法原理
• • • 在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口 cwnd = 1。 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口加 1。 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入 到网络的速率更加合理 这里 是说每收到1个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口加1，而第二次 会收到2个确认，第三次会收到4个确认，以此类推，可以知道每经过 一个传输轮次，拥塞窗口就加倍。 即cwnd的大小呈指数形式增长（与拥塞避免算法相区别）
当 TCP 连接进行初始化时，将拥塞窗口置为 1。图中的窗口单位不使用字节而使用报 文段。 慢开始门限的初始值设置为 16 个报文段， 即 ssthresh = 16。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
当拥塞窗口 cwnd 增长到慢开始门限值 ssthresh 时（即当 cwnd = 16 时），就改为 执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。
慢开始和拥塞避免算法的实现举例
拥塞窗口 cwnd
24 20 ssthresh 的初始值16 新的 ssthresh 值12 8 4 慢开始 0
拥塞避免 “加法增大”
当网络出现拥塞时
• 无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判 断网络出现拥塞（其根据就是没有按时收到确认），就 要把慢开始门限 ssthresh 设置为出现拥塞时的发送方窗口 值的一半（但不能小于2）。 • 然后把拥塞窗口 cwnd 重新设置为 1，执行慢开始算法。 • 这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组 数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的 分组处理完毕。