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計算機網路中擁塞控制圖形

發布時間: 2023-01-17 06:13:05

① 計算機中,流量控制和擁塞控制有什麼區別

流量控制和擁塞控制的區別

TCP的流量控制和擁塞控制看上去是兩個比較相近的概念,容易產生混淆。但事實上,他們在期望的目標和使用的方法是完全不同的。

流量控制解決的是發送方和接收方速率不匹配的問題,發送方發送過快接收方就來不及接收和處理。採用的機制是滑動窗口的機制,控制的是發送了但未被Ack的包數量。

擁塞控制解決的是避免網路資源被耗盡的問題,通過大家自律的採取避讓的措施,來避免網路有限資源被耗盡。當出現丟包時,控制發送的速率達到降低網路負載的目的。

流量控制

流量控制是通過滑動窗口來實現的。 滑動窗口分為發送端窗口和接收端窗口。
窗口有大小限制,窗口大小是接收端用來告訴發送端目前接收端能接收的最大位元組數。
窗口的大小在TCP協議頭里,大小為16位。然而在TCP協議的可選項里,還可以定義窗口的比例因子,因此實際的窗口大小可以超過64KB。窗口的含義實際上就是接收緩沖區的大小。
發送窗口維護了發送端發送的已被接收端ACK的序號,以及已經發送的最大序號,這樣就可以知道還能發送多少的新數據。
接收窗口維護了已經ACK的序號,以及所有接收到的包序號。
窗口大小在特定的一次連接通信過程中,大小是不變的。而滑動窗口是一種機制,滑動窗口的大小在發送端代表的是可發送的數據大小,在接收端代表的是可接收的數據大小,它們是動態變化的。

擁塞控制

擁塞控制是通過擁塞窗口來實現的。擁塞窗口指發送端在一個RTT內可以最多發送的數據包數。
擁塞控制一般包括慢啟動、擁塞避免兩個階段。
慢啟動階段是從1開始指數增長到限定大小的過程。
擁塞避免階段時超過限定大小之後線性增加的過程,以及發現丟包後將擁塞窗口改為1,並把限定大小減半的過程。

(1)計算機網路中擁塞控制圖形擴展閱讀

流量控制是端到端的控制,例如A通過網路給B發數據,A發送的太快導致B沒法接收(B緩沖窗口過小或者處理過慢),這時候的控制就是流量控制,原理是通過滑動窗口的大小改變來實現。

擁塞控制是A與B之間的網路發生堵塞導致傳輸過慢或者丟包,來不及傳輸。防止過多的數據注入到網路中,這樣可以使網路中的路由器或鏈路不至於過載。擁塞控制是一個全局性的過程,涉及到所有的主機、路由器,以及與降低網路性能有關的所有因素。

② TCP擁塞控制

  在計算機網路中的鏈路容量(即帶寬)、交換節點(如路由器)中的緩存和處理機等,都是網路的資源。在某段時間內,若對網路中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分,網路的性能就要變壞,從而導致吞吐量將隨著輸入負荷增大而降低。這種情況就叫做 擁塞 。通俗來說,就跟交通擁堵性質一樣。

  網路擁塞的原因有很多,如交換節點的 緩存容量太小、輸出鏈路的容量和處理機的速度

   擁塞控制就是防止過多的數據注入網路中,這樣可以使網路中的路由器或鏈路不致於過載 。擁塞控制是一個 全局性的過程 。涉及網路中所有的主機、所有的路由器,以及與降低網路傳輸性能有關的所有因素。

  擁塞控制和流量控制的關系密切,但是 流量控制往往是指點對點的通信量控制 ,是個 端對端 的問題。流量控制所要做的就是抑制發送方發送數據的速率,以便使接收端來得及接收。

  TCP進行擁塞控制的演算法有四種,即 慢開始(slow-start)、擁塞避免(congestion-avoidance)、快重傳(fast retransmit)、快恢復(fast recovery)

  為了討論問題方便,提出以下假定:

  擁塞控制也叫做 基於窗口 的擁塞控制。為此,發送方維持一個叫作 擁塞窗口cwnd (congestion window)的狀態變數。 擁塞窗口的大小取決於網路的用誰程度,並且動態的變化。發送方讓自己的發送窗口等於擁塞窗口

  接收方窗口值rwnd和擁塞窗口值cwnd的區別:

  發送方控制擁塞窗口的原則是:只要網路沒有出現擁塞,擁塞窗口就可以再擴大一些,以便讓更多的分組發送出去,如果網路出現了擁塞,就必須將擁塞窗口減小一些,以減少分組的發送。 判斷網路擁塞的依據就是出現了超時

  慢開始演算法的思路:剛開始發送數據時,不一下向網路中注入大量數據,而是先探測一下,即 由小到大逐漸增大發送窗口 ,也就是說, 由小到大逐漸增大擁塞窗口數值

  慢開始演算法具體規定:剛開始發送數據時,先把擁塞窗口cwnd根據 發送方的最大報文段SMSS (Sender Maximum Segment Size)數值的大小設置為不超過2-4個SMSS的數值。在 每收到一個對新的報文段的確認後,可以把擁塞窗口增加最多一個SMSS的數值 。用這樣的方法逐步增大發送方的擁塞窗口rwnd,可以使分組注入到網路中的速率更加合理。

  下面舉例說明一下,雖然實際上TCP是用位元組數作為窗口大小的單位,但為了方便描述,下面使用報文段的個數來作為窗口的大小的單位,並且假設所有的報文段大小相等。

  所以, 慢開始演算法每經過一個傳輸輪次(transmission round),擁塞窗口cwnd就加倍

  註:在TCP實際運行時,發送方只有收到一個確認就可以將cwnd加1並發送新的分組,並不需要等一個輪次所有的確認都收到後再發送新的分組。

  從上面可以看出,慢開始演算法雖然起始的窗口很小,但是每過一個輪次,窗口大小翻倍,呈指數爆炸增長,所以必須要對其進行一個限制,防止其增長過大引起網路擁塞。這個限制就是 慢開始門限ssthresh 狀態變數。慢開始門限ssthresh的用法如下:

  擁塞避免演算法的思路是讓擁塞窗口cwnd緩慢增大,即每經過一個往返時間RTT就把發送方的擁塞窗口cwnd加1,而不是像慢開始階段那樣加倍增長。因此在擁塞避免階段就有 「加法增大」AI (Additive Increase)的特點。這表明在擁塞避免階段,擁塞窗口cwnd 按線性規律增長 ,比慢開始演算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。

  下面用一個具體的例子來說明擁塞控制的過程,下圖假設TCP發送窗口等於擁塞窗口,慢開始初始門限設置為16個報文段,即ssthresh = 16。

  在擁塞避免階段,擁塞窗口是按照線性規律增大的,這常稱為 加法增大AI 。無論在慢開始階段還是擁塞避免階段,只要出現一次超時(即出現一次網路擁塞),就把慢開始門限值 ssthresh 設置為當前擁塞窗口的一半,這叫做 乘法減小 MD (Multiplication Decrease)。

  當網路頻繁出現擁塞時,ssthresh 值就下降的很快,以大大減少注入網路中的分組數。

   快恢復演算法 ,如果發送方連續接收到3個冗餘ACK,發送方知道現在只是丟失了個別的報文段,此時調整門限值 ssthresh為當前擁塞窗口的一半,同時設置擁塞窗口 cwnd為新的門限值(發生報文段丟失時擁塞窗口的一半),而不是從1開始。

   TCP對這種丟包事件的行為,相比於超時指示的丟包,不那麼劇烈 ,所以對於連續收到3個冗餘ACK,擁塞窗口不會從1開始開始。

③ 計算機網路原理 簡述TCP擁塞控制中慢啟動的過程

TCP採用慢開始和擁塞避免的方法控制發送
慢開始的思路是,先測試一下,在由小到大的增大發送窗口
具體的:預先設置一個慢開始門限,ssthresh(用於控制擁塞)
先設擁塞窗口cwnd=1,發送第一個報文,收到確認後把cwnd設為2,在發送,收到回復後,再把cwnd增加2個,即,收到回復後就把cwnd增加一倍,這就是慢開始演算法
當cwnd>ssthresh就停止上述的慢開始演算法而使用擁塞避免演算法
擁塞避免演算法就是每收到一個回復後就把cwnd加1,直到出現擁塞
無論在慢開始還是擁塞避免時只要出現擁塞就把ssthresh設為原值的一半(這就是乘法減小)並把cwnd設為1,在執行慢開始演算法,重復上述過程

④ 在計算機網路中TCP流量控制和擁塞控制的作用

擁塞控制:防止過多的數據注入到網路中,這樣可以使網路中的路由器或鏈路不致過載。擁塞控制所要做的都有一個前提:網路能夠承受現有的網路負荷。擁塞控制是一個全局性的過程,涉及到所有的主機、路由器,以及與降低網路傳輸性能有關的所有因素。
流量控制:指點對點通信量的控制,是端到端正的問題。流量控制所要做的就是抑制發送端發送數據的速率,以便使接收端來得及接收

⑤ 計算機網路(三)——網路層

網路層的 目的 是實現在任意結點間進行數據報傳輸,它的目的與鏈路層、物理層不是一樣的嗎?但是通過它數據可以在更大的網路中傳輸。

為了能使數據更好地在更大的網路中傳輸,網路層主要實現三個功能: 異構網路互聯 路由與轉發 擁塞控制

我們知道,在物理層、鏈路層,可以使用不同的傳輸介質和拓撲結構將幾台、十幾台主機連接在一起形成一個小型的區域網,把這些組成結構不完全相同的區域網稱為異構網,因此將它們連接擴大成更大的網路,需要一個類似轉接頭的設備——路由器,路由器不僅僅可以連接異構網,還能隔離沖突域和廣播域,依照IP地址轉發。

下圖對集線器、網橋、交換機和路由器能否隔離沖突域和廣播域進行比較:

路由器作為連接多個網路的結點,不僅需要完成對數據的分組轉發,還要選擇傳輸路徑,因此路由器主要由 路由選擇 分組轉發 組成。

網路層最重要的功能是 路由與轉發 功能。路由也就是選擇一條合適的路,轉發則是在這條路上遵守協議。這有點像從某個多個國家的交界城市自駕,選其中一條路,那麼就遵守這個國家的交通協議。

數據通過一個又一個路由器到達目的地址,路由器怎麼知道數據應該從哪個埠出發才能到達目的地呢?這就需要構造路由表。
路由表有兩種構造方式: 靜態 動態

一個個小網路可以構成一個區域,足夠多的區域互連成一個網路,多個網路又形成巨大的互聯網。要想讓數據高效在網路中傳輸,採用「分而治之」的理念。
將互聯網分為許多較小的自治系統,系統有權決定自己內部採用什麼路由協議,這便是層次路由。通過層次路由便可以採用靈活的協議傳輸數據。數據在自治系統內傳輸採用 內部網關協議 而自治系統之間則採用 外部網關協議

內部網關協議有兩種協議: 路由信息協議(RIP) 開放最短路徑優先協議(OSPF)

外部網關協議則是邊界網關協議(BGP)。內部網關協議服務某個自治系統,范圍較小,所以盡可能有效地從源站送到目的站,也就是找到一條最佳路徑。而外部網關協議需要面對更大的網路范圍和網路環境,因此更關注的找到比較好的路徑,也就是不能兜圈子。

BGP工作原理:

將三種路由協議進行比較:

構建大規模、異構網路的互聯網除了硬體的支持外,還需要建立協議以實現數據報傳輸服務——IP協議。
目前IP協議有兩個版本:IPv4和IPv6。

現在主流的IP協議版本還是IPv4。

IP數據報主要由首部和數據部分組成,由TCP報文段封裝到數據部分,再在前端加上一些描述信息的首部,其格式如下圖:

IP協議使用分組轉發,當報文過大時需要分片。分片的思路如下:

如果把IP數據報看作是信,那麼首部中的源地址與目的地址則分別是發信地址和郵件地址。為了方便路由計算這些地址,並且使IP地址足夠使用,因此將IP地址進行分類。

IP地址的格式 : {<網路號>,<主機號>},網路號標志主機所連接的網路,主機號標志該主機,每個IP地址都是唯一的。

IP地址分類 如下:

通過分類,可以計算每個網路中最大的主機數:

網路地址轉換(NAT)是一種轉換機制,將專用網路地址轉換為公用地址,目的是為了對外隱藏內部管理的IP地址,這樣不僅可以保證網路安全,還可以解決IP地址不足問題。
當路由器接收到的目的地址是私有地址則一律不進行轉發,而如果是公用地址,則是用NAT轉換表將源IP及埠號映射成全球IP號,然後從WAN埠發送到網際網路上。

IP地址有A、B、C類網路號,如果把A類網路號分給一個廣播域,那麼這個廣播域可以接入16,777,212台主機,然而一個廣播域不可能融入這么多台主機,因為這樣會導致廣播域過飽和而癱瘓,而只給其分配一定數量的網路號,則會浪費大量的IP地址。因此在IP地址中增加一個「子網號欄位」,將IP地址劃分為三級,即IP地址={<網路號>,<子網號>,<主機號>},也就是從主機號中借用幾個比特號作為子網號,這個子網號是對內劃分的,對外仍舊表現為二級IP地址。

主機或路由器如何判斷一個網路是否進行子網劃分了呢?——利用子網掩碼。

CIDR是 無分類 域間路由器選擇,目的是消除A、B、C類網路劃分,這樣可以大幅度提高IP地址空間利用率。相比較子網掩碼劃分,它更加靈活。

上圖中,如果R1收到前綴為206.1的IP地址,它只需要轉發給R2,具體發往網路1還是網路2,則由R2計算得出。

通過IP地址,可以將數據從某個網路傳輸到目的網路,但是把信息發送給哪台主機呢?由於路由器的隔離,IP網路沒辦法使用廣播方式查找MAC地址,只有通過鏈路層的MAC地址以廣播方式定址。
因此,IP協議還包括三個協議—— ARP、DHCP和ICMP ,共同配合完成數據轉發。

IPv6是解決IP地址耗盡的根本手段。它與IPv4的報文形式差別如下圖:

IPv6與IPv4地址通信示意圖:

在通信過程中,如果分組過量而導致網路性能下降,會產生擁塞。

擁塞的控制方式: