计算机网络服务质量

拥塞问题：

拥塞：当在网络中存在过多的报文时,网络的性能会下降,这种现象称为拥塞。

拥塞控制：拥塞控制就是网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应。拥塞控制主要考虑端节点之间的网络环境,目的是使负载不超过网络的传送能力。拥塞控制算法包含拥塞避免(congestion avoidance)和拥塞控制(congestioncontrol)这两种不同的机制。拥塞控制是“恢复”机制，它用于把网络从拥塞状态中恢复出来;拥塞避免是“预防”机制,它的目标是避免网络进入拥塞状态，使网络运行在高吞吐量、低延迟的状态下。四个阶段：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。

拥塞控制的目的：将网络通信量维持在某个水准之下，提高TCP性能。

AQM 计算出反馈大小后,需要将反馈传递给端系统.网关可以采用的反馈方式包括“丢弃”(dropping)和“标记”(marking).“丢弃”是所有网关都支持的操作,传统的TCP 算法只使用报文丢失作为拥塞发生的指示.“标记”方式“显式”的通知端系统,可以避免TCP 发送端调用超时处理.试验结果显示“标记”比“丢弃”具有更好的性能[48].“标记”方式的缺点是要求网关提供特殊支持,但随着ECN 的标准化和广泛采用[59][60],这个问题将得到解决.“源抑制”(source quench,下面用SQ 表示)[61]也是反馈的一种方式.当网络流量超过网关的处理能力,网关在丢弃报文的同时可以向数据源发送SQ 报文,由数据源对发送速率进行调整.直观上看SQ 和ECN 相比可以提供更快的反馈.

TCP拥塞控制机制（本质是窗口问题）

TCP的拥塞控制方法是基于滑动窗口协议的。它通过限制发送方注入报文的速率而达到拥塞控制的目的。具体地说，TCP是通过控制发送窗口的大小来对拥塞进行响应。而决定发送窗口大小的因素有两个：第一个因素是接收方所通告的窗口大小；第二个因素是发送方的拥塞窗口限制，又叫拥塞窗口。发送窗口的大小是取二者之中的较小者。

TCP协议发现拥塞的途径有两条：一条途径是来因特网控制信息协议ICMP的源抑制报文，另一条途径是报文丢失现象。TCP假定大多数报文丢失其原因都是通信子网拥塞。

为了迅速抑制拥塞，TCP使用了两种技术：快速递减和慢启动。这两种技术是相关联的，实现起来也比较容易。所谓快速递减拥塞窗口的策略指的是：一旦发现报文丢失，立即将拥塞窗口大小减半；而对于保留在发送窗口中的报文，按指数增加重传定时器的定时宽度。换句话说．当可能出现拥塞时，TCP对传输流量和重传速率都按指数级递减：如果继续出现报文丢失，最终TCP将数据传输流量限制到每次只发送一个报文，即变成简单停等协议。快速递减策略的意图是迅速而显著地减少注入通信子网的传输流量，以便路由器有足够的时间来清除在其发送队列中的数据包。

TCP 拥塞控制的几个特点:

(1) 将拥塞控制分为“慢启动”和“拥塞避免”两个阶段.“慢启动”用于探测网络的带宽,使用指数增长的方式;“拥塞避免”试图避免拥塞的发生,使用AIMD(additive increase multiplicative decrease)方式.

(2) 假设报文的丢失由网络拥塞引起.TCP 算法用报文丢失判断拥塞的发生.“快速重传”和SACK 都可以检测报文的丢失,但当这些机制失效时,“重传时钟”超时是发现报文丢失的最终机制.

(3) 从解决一个发送窗口内单个报文丢失到解决多个报文的丢失.

（4）具有扩散性，往往会因为一个节点的过载造成网络局部的拥塞甚至全网的瘫痪。网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的流量控制，大小取决于网络的拥塞程度，并且动态的变化。

无线网络的TCP改进

分段连接方案

这类方案有将移动主机(MH)和固定主机(FH)间的TCP连接在基站处分成两段(MH到基站的无线段和基站到FH的有线段)，在有线和无线链路段分别采取不同的拥塞控制策略.有线链路段使用标准TCP无线链路段则采用适于无线环境的改进协议。有线链路传输速度速度快且误码率低，而无线链路速度依然很慢(相对于有线链路而言)，并且容易受到噪声干扰和信道衰落的影响。在同时包含有线和无线两种链路的网络中对这两种性能相差很多的链路使用同样的流量控制和拥塞控制，无线链路显然会成为系统性能的瓶颈，将其分开进行处理有利于提高链路的利用率，但这类方案破坏了TCP连接的端对端语义，且需要修改移动主机和中间结点的TCP协议

链路层重传方案

链路层重传的方法独立于TCP层协议，这些方案试图通过链路层重传减少无线链路的高误码率对TCP性能的影响，但不能处理移动切换及频繁连接断开导致的TCP协议调用拥塞控制算法。

有线网络中TCP拥塞控制机制的改进

1 针对对不必要的超时重传和快速重传当前的TCP应用主要有两种重传机制－快速重传和超时重传。当TCP源端收到3个ACK副本时，就会触发快速重传机制，此时源端重传丢失的数据包并且将拥塞窗口大小减半。这种情况下，TCP流往往能够很快从丢包中恢复过来，重新回到原先的发送速率。但如果TCP源端没有收到3个ACK副本，那么TCP源端则需要等待相当长时间，以便超时重发。这样，小窗口的TCP 流就很容易陷入不必要的超时重发，使其吞吐量大大下降。为了避免这种不必要的超时重传，一种改进办法就是只要TCP源端收到一个或者两个ACK副本，并且如果通告窗口允许，便继续发送新的数据包。

2 针对乱序包和延迟包引起的重传为了使得在出现不必要的超时重传和快速重传情况下，TCP性能能够更加健

壮（robust），一种方法就是在出现这些情况时向TCP源端发送有关的信息。如果源端认为重发是不必要的，那么拥塞窗口减半也就没必要了，源端就会将拥塞窗口大小和慢启动阈值分别恢复到原来的值，这样拥塞窗口恢复到原来的大小只需1RTT时间而不是W/2 RTT时间了。3一种新的拥塞控制机制XCP 针对目前基于窗口的TCP拥塞控制机制的不足，最近提出了一种新的互联网拥塞控制机制XCP（eXplicit Control Protocol）。XCP源端维持有拥塞窗口cwnd和回路响应时间RTT并且通过数据包中的拥塞头（congestion header）将这两个值与路由器进行通信。当XCP连接刚刚建立时，与TCP一样，初始cwnd较小，XCP将其理想的发送速率填入到拥塞头中，如果链路带宽允许，则在一个RTT后就以次速率发送数据；如果链路带宽不足，则网络会给出一个发送速率，在一个RTT后源端就以此速率发送数据。

（林闯论文）计算机网络服务质量（QoS）优化：．计算机网络的优化可以划分为下面四个方面：（1）资源分配：如链路带宽分配问题、队列空间分配问题等。（2）任务调度：任务调度问题可以分为单队列多服务器调度、多队列单服务器调度和更一般的多队列多服务器的调度等。（3）网络资源部署．如确保网络连通性的互联设备放置问题、在服务器集群中最大化资源利用率的软件放置问题以及最小化成本的服务器覆盖问题。（4）系统参数配置：如传输节点的功耗配置、拥塞控制窗口的大小配置。优化步骤为建模、求解、实施、评价。

整个网络系统可以看作是一个拥有生产者和消费者的系统，生产者对应服务主体，提供相对有限的资源；消费者对应用户，利用生产者分配的资源。同时，在该技术背景下的资源分配问题得到了越来越多研究人员的重视，其更致力于解决资源供不应求的问题。资源分配问题蕴含一系列QoS指标，资源分配的有效性决定网络的利用率，分配的均衡程度决定网络的公平性，而这些QoS指标统一构成了每个用户和整个网络社会的效用。网络中的任务调度是网络优化中的另一个关键因素。任务执行和数据传输时序的不同对网络用户个体和网络整体的影响可能很显著。负载均衡调度是网络中最基本的调度问题，它可以被建模为以最小用户平均时延为目标的优化问题。网络资源部署可以归结为研究网络平面体系结构的问题，它主要探讨如何将资源合理地进行安置。该类问题的目标同样是面向更多的用户或提供更高的性能。还有一类网络优化是针对网络系统的参数配置，从而指导网络参数的设计。

QoS（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力, 是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

网络服务是多约束问题（快、稳、丢包率低）。

探测法：探测法的思想是从源节点开始，通过向邻节点发送探测包或查询信息逐步逼近并达到目标节点。排队论：

排队论是一门研究拥挤现象（排队、等待）的科学。是在研究各种排队系统概率规律性基础上，解决相应排队系统的最优设计（静态）和最优控制（动态）问题。

最优设计：例如，固话网中的中继电路群数目的确定，分组交换网中的存储空间容量的配置等。最优控制：例如，固话网中的中继电路群数目的增加与否，无线信道中的信道分配等。

TCP各协议之间的性能比较：

TCP Tahoe：引入了快速重传机制，即当接受者收到几个对同一的报文相同应答时，发送方就推断已经发生了丢包，而没有必要的等到重传定时器超时，并且重传相应的包，提高了信道的利用率，Tahoe包括3个基本的拥塞控制算法：“慢启动”、“拥塞避免”和“快速重传”。不足之处在于在接收到3个重复ACK 或在超时的情况下，Tahoe置cwnd为1，然后进入慢启动阶段。这会引起网络的激烈震荡，大大降低网络的利用率。

TCP Reno：在TCP Tahoe之后加入了快速恢复。有效避免了当前网络拥塞状况不够严重时，采用“慢启动”算法容易造成发送窗口减小的幅度过大的问题，避免了在快速重传后通道为空的现象。不足之处在于源端在检测到拥塞后，要重传自数据包丢失时发送的全部数据包，同时在一个窗口中多个报文段同时丢失的情况下，会出现性能问题。

TCP new Reno：在TCP Reno基础上作了一个变化，当多包丢弃时，去掉TCP Reno的等待重传定时器，在快速恢复阶段，当发送端收到一个部分应答来表征一些包而不是所有包，在这个阶段的起始时间没有被成功传送。

TCP Sack：采用tcp rem tthresh判断拥塞是否发生，较好地解决了在同一个数据包丢失的问题。在Reno基础上进行扩展，对数据包进行有选择无恶人和重传，提高了TCP的性能。不足之处在于要修改TCP协议。TCP Vegas：采用谨慎的方式来增加窗口，减少了不必要的分组丢失，根据实际的吞吐量来调整窗口大小，用一个重复的ACK来判断拥塞和重发丢失的数据包，是的丢包检测更为及时。

10M-1000M问题:

10M以太网采用半双工方式，1000M以太网采用全双工方式或半双工方式。千兆以太网的速度比普通以太网快100倍。要从10M升级到1000M，最好的解决办法就是采用1000BASE-T型，它采用UTP5类线来传输1Gb/s的数据，支持的最大网段为100M，可以在不更改太多主干线的情况下，轻松升级到高速网络。