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
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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

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拥塞控制概述
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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
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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
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通信量整形—流说明
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通信量整形—漏桶算法
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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
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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。
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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。
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通信量整形—漏桶算法
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漏桶现象
♦从桶底小孔向外 漏的速率恒定 ♦一旦桶空外漏速 率为0 ♦桶一满水从上面 溢出
任意 速率 水流
匀速 水流

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无规律 的包流
漏桶 中装 令牌
每隔△T 秒生成一 个令牌 network network
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通信量整形—令牌桶算法
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与漏桶算法的区别 ♦令牌桶算法可积累发送数 ♦桶满时会丢失令牌而不会丢失包
允许多达n个包的突发通信
拥塞控制概述
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流量控制与拥塞控制的区别 ♦拥塞控制是全局问题
涉及所有主机、 路由器(及路由 器的存储-转发 能力)
100Kbps
1Mbps 1Mbps
100Kbps
无需流量控制但要拥塞控制。
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通信量整形—漏桶算法
有控制 理 想
0.8 1.0
提交的负载(发出的包)

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拥塞控制概述
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包交换网络中拥塞控制 ♦发生拥塞的节点向某 些或全部源节点发送 一个控制包 ♦依赖于路由信息用链 路延迟信息影响新包 产生的速率
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通信量整形—令牌桶算法
当C = 250K；M = 25MBps；ρ = 2MBps； S = 250K/230000K ≈ 10.8ms 在S秒内以25MBps的速率突发一部分； 其余的数据只能以2MBps的速率发送；
25MB/s, 40ms 突发数据持续时间 漏桶输 出速率 100ms 200ms 300ms
2MB/s, 500ms
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100ms
200ms
300ms
400ms

500ms
通信量整形—令牌桶算法
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令牌桶 算法
通信量整形—流说明
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输入特性 ♦最大包(B) ♦令牌桶速率(B/s) ♦令牌桶容量(B) ♦最大传输速率(B/s)
说明了包的最大尺寸 如果桶输出速率为rBps ，桶的容量为bB，则在 任意时间△t内可传送的 最大字节数为： b + r·△t
说明了主机产生数据的最高速率
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流说明(flow specification) ：说明通信模式 ♦通信量模式 ♦应用所需服务质量 基本原理 ♦连接建立/发送数据报前源端向子网提交流说明 请求特定服务； ♦子网可接受、拒绝或提出一种折中意见； ♦一旦发送者与子网达成共识再征求接收者的意 见；
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拥塞的影响
拥塞控制技术无法达 到理论上的理想值。
吞 吐 量 被 传 送 的 包 )
1.0
要求所有的站点都能知道提交 给网络的包的时间和速率 理想 开销 拥塞控制 无拥塞控制
0.8 1.0
当不同节点的队列 长度增加时实际吞吐 量呈下降趋势。 限制每个节点的队 列长度以避免吞吐量 崩溃。

通信(B) ♦丢失间隔(us) 说明了可接 受的丢失率
♦突发丢失敏感性(P) 说明了可忍受连续丢多少包 ♦最小注意延迟(us) ♦最大延迟变化(us) ♦质量保证 超出这个值的延迟将 引起应用程序注意 说明端-端传输延迟的变化 说明上述条件是否一定要满足
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通信量整形 强迫包以某种可预见性的速率传送。即调整数据 传输的平均速率。 ♦滑动窗口协议：只能限制一次传送的数据量， 而无法限制这些数据的传输速率。 ♦虚电路子网：用户与子网协商一种通信模式用 户按协商结果发送包，子网负责传输。此时通 信量整形可减少拥塞。适用于实时数据的传输。 ♦数据报子网：可在传输层的连接中使用通信量 整形方法。
网络层之拥塞控制
北京大学 计算机系 严伟 yanwei@
网络层之拥塞控制
拥塞控制概述 漏桶算法 令牌桶算法
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拥塞控制概述
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包交换网络是排 队网络 ♦如果包到达和 排队的速率超 出包被发送的 速率，队列的 长度就会无限 制地增长。 输入缓冲 输出缓冲

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通信量整形—令牌桶算法
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实例2
令牌桶容量C = 250KB； 令牌到达速率ρ = 2MBps； 网络最大传输率M = 25MBps；
假设：突发数据长为1MB，到达时令牌桶已满。 设：突发时间为S；令牌到达速率ρ； 突发数据最大输出为C＋ρ · S C＋ρ · S = M · S S= C M-ρ
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拥塞控制概述
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流量控制与拥塞控制的区别 ♦流控只与发送者和接收者 之间的点-点通信有关
超 级 计 算 机
1000Gbps 1000Gbps
1Gbps
必须进行流量控制
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(
提交的负载(发出的包)
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拥塞控制概述
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拥塞的影响 平 均 包 的 延 迟 无控制
初始时，无控制的 策略所导致的延迟比 有控制策略低；但无 控制策略在网络负载 很低时即达到饱和。 无论采用什么技术， 包的平均延迟随着网 络负载接近系统的容 量会无限增长。
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在拥塞 期间需 要额外 的交通 延迟变化 太快无法 有效用于 拥塞控制

拥塞控制概述
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包交换网络中拥塞控制 ♦采用端-端的探询(probe)包
加剧 网络 负担
♦在包中增加拥塞信息 在拥塞的相反方向，使源节点减少 流向网络的包 在拥塞方向，目标端请求源端调整 负载
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包交换网络中队列的相互作用 2 1 4 5 3 6
♦网 络 中 某 一点的拥塞 将很快波及 到一个区域 甚至整个网 络。 ♦必 须 以 控 制整个网络 交通的方式 来使用流量 控制工具。
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拥塞控制概述
通信量整形—漏桶算法
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漏桶算法 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 ♦主机与网络的接口 接口包 含一个 为一个漏桶 漏桶 ♦漏桶就是一个有限 的内部队列 Q：包大小 可变怎么办？ network
无规 律的 包流 漏桶 装包 有规 律的 包流
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拥塞控制概述
拥塞产生 ♦低带宽的线路 ♦多个输入去往同一个输出 ♦路由器的处理能力来不及作路由决策和 清空缓冲区 ● 饱和时的处理 ♦简单地丢弃入境包 ♦节点对其邻接节点实行某种流量控制
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拥塞控制概述