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1、第十二章第十二章 拥塞控制与服务质量控制拥塞控制与服务质量控制北京邮电大学北京邮电大学网络技术研究院网络技术研究院下一代互联网技术研究中心下一代互联网技术研究中心第一部分第一部分 拥塞控制的基本概念拥塞控制的基本概念拥塞控制的定义拥塞控制的定义v当网络中数据过多时，网络的性能会下降，这种现象当网络中数据过多时，网络的性能会下降，这种现象称为拥塞。称为拥塞。v拥塞控制就是节点采取措施避免拥塞的产生或对拥塞拥塞控制就是节点采取措施避免拥塞的产生或对拥塞的发生做出反应。的发生做出反应。v流量控制和拥塞控制的区别流量控制和拥塞控制的区别:前者考虑接收端的能力，前者考虑接收端的能力，后者考虑网络环境。后
2、者考虑网络环境。v拥塞控制算法中，包含拥塞避免和拥塞控制两大类。拥塞控制算法中，包含拥塞避免和拥塞控制两大类。前者是恢复机制，把网络从拥塞状态中恢复过来；后前者是恢复机制，把网络从拥塞状态中恢复过来；后者是预防机制，避免网络进入拥塞状态。者是预防机制，避免网络进入拥塞状态。拥塞控制的原因拥塞控制的原因v“供供”不应不应“求求”。v增加资源不能避免拥塞的产生增加资源不能避免拥塞的产生v拥塞一般发生在网络中资源相对短缺的地拥塞一般发生在网络中资源相对短缺的地方，即网络不均衡性导致拥塞不能靠增加方，即网络不均衡性导致拥塞不能靠增加资源的方法来解决。资源的方法来解决。组播的拥塞控制组播的拥塞控制v组播
3、的拥塞控制是一个难点。组播的拥塞控制是一个难点。v组播拥塞控制在调整速率时应该考虑不同组组播拥塞控制在调整速率时应该考虑不同组成员拥塞的差异。成员拥塞的差异。v大量来自组成员的拥塞反馈会湮没发送端的大量来自组成员的拥塞反馈会湮没发送端的带宽。带宽。vTCP的拥塞控制机制难以直接应用到组播中。的拥塞控制机制难以直接应用到组播中。第二部分第二部分 端到端拥塞控制算法端到端拥塞控制算法端到端拥塞控制算法简介端到端拥塞控制算法简介v开环控制和闭环控制。互联网以后者为主。开环控制和闭环控制。互联网以后者为主。v闭环控制基本思想：检测拥塞的发生、将信息返闭环控制基本思想：检测拥塞的发生、将信息返给控制点、
4、控制点根据拥塞信息进行调整消除拥给控制点、控制点根据拥塞信息进行调整消除拥塞。塞。v可以分为可以分为链路算法链路算法和和源算法源算法两大类。两大类。v链路算法在中间设备执行，主要是检测拥塞发生，链路算法在中间设备执行，主要是检测拥塞发生，生成拥塞反馈信息。生成拥塞反馈信息。v源算法可以根据反馈信息调整发送速率。源算法可以根据反馈信息调整发送速率。拥塞控制算法的评测及难点拥塞控制算法的评测及难点v两个重要指标：资源分配的效率和资源分配的公平性。两个重要指标：资源分配的效率和资源分配的公平性。v资源分配效率：资源分配效率：Power函数吞吐量函数吞吐量*/延迟（反应时间）延迟（反应时间）v资源分配
5、公平性：资源分配公平性：v拥塞控制算法难点：算法的分布性、网络环境的复杂性、算拥塞控制算法难点：算法的分布性、网络环境的复杂性、算法的性能（公平性、效率、稳定性等）、算法的开销。法的性能（公平性、效率、稳定性等）、算法的开销。源算法源算法v典型代表：典型代表：TCP拥塞控制算法拥塞控制算法vTCP Tahoe：慢启动、拥塞避免、快速重传：慢启动、拥塞避免、快速重传vTCP Reno：快速恢复，利用：快速恢复，利用“管子管子”模型的模型的“报文守恒报文守恒”特性特性vTCP NewReno：考虑一个窗口内多个报文丢失的情况：考虑一个窗口内多个报文丢失的情况v文献文献TCP/IP详解：卷详解：卷1
6、（Stevens著，机械工业出版社）第著，机械工业出版社）第21章章源算法的研究热点源算法的研究热点v对慢启动的改进：增加拥塞窗口初始值、分为多对慢启动的改进：增加拥塞窗口初始值、分为多段等。段等。v显式拥塞通知。显式拥塞通知。vTCP友好性。友好性。v针对特殊网络的拥塞控制。针对特殊网络的拥塞控制。链路算法链路算法v典型的主动队列管理算法：典型的主动队列管理算法：RED（Random Early Detection）算法。）算法。v基本思想：通过以一定概率丢失或标记报文基本思想：通过以一定概率丢失或标记报文来通知端系统网络拥塞的情况。来通知端系统网络拥塞的情况。组播拥塞控制算法组播拥塞控制算
7、法v关键目标：可扩展性、关键目标：可扩展性、TCP-Friendly。v影响可扩展性的因素影响可扩展性的因素任务复杂性：组成员数量的增加任务复杂性：组成员数量的增加反馈爆炸问题：接收端的反馈的增加反馈爆炸问题：接收端的反馈的增加Loss Path Multiplicity问题问题网络随机延迟的影响网络随机延迟的影响vTCP-Friendly:非非TCP流在长期范围内的吞吐量不超流在长期范围内的吞吐量不超过相同条件下过相同条件下TCP流的吞吐量。流的吞吐量。组播拥塞控制算法分类组播拥塞控制算法分类v基于窗口的算法基于窗口的算法v基于速率的算法基于速率的算法单速率算法单速率算法多速率算法多速率算法
8、第三部分第三部分 服务质量控制简介服务质量控制简介基本概念基本概念v根据带宽、延迟、抖动、分组丢失率等根据带宽、延迟、抖动、分组丢失率等QoS参数，参数，研究相应的控制机制，提高网络保证性能的能力。研究相应的控制机制，提高网络保证性能的能力。vQoS控制空间：控制空间：时间维：控制的时间粒度（分组级、分组往返时间级、会时间维：控制的时间粒度（分组级、分组往返时间级、会话级、长期）话级、长期）空间维：空间维：l控制粒度控制粒度granularity（单流、聚集流）（单流、聚集流）l控制状态的携带者（路由器、终端）控制状态的携带者（路由器、终端）l控制的位置（用户、边缘路由器、核心路由器）控制的位
9、置（用户、边缘路由器、核心路由器）网络微积分网络微积分v网络微积分是最小加代数应用到网络分析所形成的一个网络微积分是最小加代数应用到网络分析所形成的一个体系，主要用于对流问题进行建模和分析。体系，主要用于对流问题进行建模和分析。v数学基础：最小加代数。数学基础：最小加代数。v最小加代数是一个代数结构最小加代数是一个代数结构 即实数集和正无穷大所组成的集合，以及定义在这个集即实数集和正无穷大所组成的集合，以及定义在这个集合上的求最小值运算和加法运算所构成的代数结构。可合上的求最小值运算和加法运算所构成的代数结构。可简写为简写为网络微积分参考文献网络微积分参考文献vCruz,R.L.A calcu
10、lus for network delay.Network elements in isolation.IEEE Transactions on In Information Theory,Vol.37,No.1.(1991),pp.114-131.vCruz,R.L.A calculus for network delay.Network Analysis.IEEE Transactions on In Information Theory,Vol.37,No.1.(1991),pp.132-141.第四部分第四部分 集成服务和区分服务集成服务和区分服务集成服务简介集成服务简介v集成服务（集
11、成服务（Intserv）可以提供端到端的质量保证型服务。）可以提供端到端的质量保证型服务。v所有路由器在控制路径上处理每个流的信令信息，并维护每所有路由器在控制路径上处理每个流的信令信息，并维护每个流的路径状态和预约状态。个流的路径状态和预约状态。v在数据路径上执行基于流的分类、调度和缓冲区管理。在数据路径上执行基于流的分类、调度和缓冲区管理。集成服务的基本思想集成服务的基本思想v依靠资源预留协议逐节点的建立或拆除每个流的资源预留软依靠资源预留协议逐节点的建立或拆除每个流的资源预留软状态；状态；v依靠接纳控制决定链路节点是否有足够的资源满足依靠接纳控制决定链路节点是否有足够的资源满足QoS要求
12、；要求；v依靠传输控制把依靠传输控制把IP分组分类成传输流，并根据每个流的状态分组分类成传输流，并根据每个流的状态对分组的传输实施对分组的传输实施QoS路由、传输调度等控制。路由、传输调度等控制。集成服务的局限性集成服务的局限性v需要基于流（主要是单流）的资源预留、需要基于流（主要是单流）的资源预留、调度处理即缓冲区处理，开销太大。调度处理即缓冲区处理，开销太大。v需要需要RSVP支持，需要修改大量的应用程序。支持，需要修改大量的应用程序。v因此，单纯的因此，单纯的Intserv/RSVP架构很难在互联架构很难在互联网上得到大规模应用。网上得到大规模应用。区分服务区分服务（Diffserv）简
13、介）简介v简化简化网络节点的服务机制网络节点的服务机制，在内部节点只执行简，在内部节点只执行简单的调度转发，流状态信息的保存和流监控机制单的调度转发，流状态信息的保存和流监控机制的实现等只在边界节点进行，内部节点是状态无的实现等只在边界节点进行，内部节点是状态无关的。关的。v简化简化网络内部节点的服务对象网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集而非单流，单流信息只在制，服务对象是流聚集而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。网络边界保存和处理。区分服务的工作原理区分服务的工作原理v网络边界节点根据用户的流规定和资源预留信息将进入网络网络边界节点根据用户的流规
14、定和资源预留信息将进入网络的单流分类、整形、聚合成不同的流聚集。这种信息存储在的单流分类、整形、聚合成不同的流聚集。这种信息存储在每个每个IP头的头的DS标记域中，称为标记域中，称为DS标记标记DSCP(Differentiated Services Code Point)。v内部节点在转发时根据内部节点在转发时根据DSCP选择特定质量的调度转发服务，选择特定质量的调度转发服务，其外特性称为每跳行为其外特性称为每跳行为PHB(Per-Hop Behavior)。v网络边界对单流做流聚集和网络内部对聚集流提供特定质量网络边界对单流做流聚集和网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务，二者通过的调
15、度转发服务，二者通过DSCP联系起来。联系起来。区分服务的特点区分服务的特点v层次结构：分为层次结构：分为DS区域和区域和DS区两级。在区两级。在DS区域内，服务提供区域内，服务提供策略与策略与PHB的语义和实现要一致。但的语义和实现要一致。但DS区内的各区内的各DS区域可以区域可以支持不同的支持不同的PHB，有不同的服务提供策略，它们之间通过服，有不同的服务提供策略，它们之间通过服务层协议和传输调节协议协调提供跨区域服务。务层协议和传输调节协议协调提供跨区域服务。v总体集中控制策略：网络资源的分配由总体服务提供策略决定，总体集中控制策略：网络资源的分配由总体服务提供策略决定，包括在边界如何分
16、类聚合流，在内部如何调度转发流聚集。包括在边界如何分类聚合流，在内部如何调度转发流聚集。v利用面向对象的模块化思想和封装思想。利用面向对象的模块化思想和封装思想。v提供服务的手段仅限于队列调度和缓冲管理，不涉及路由选择提供服务的手段仅限于队列调度和缓冲管理，不涉及路由选择机制。机制。DS区域和区域和DS区区vDS区域中的节点遵循统一的服务提供策略并实现一致的区域中的节点遵循统一的服务提供策略并实现一致的PHB组。组。v有明确的边界，边界节点连接有明确的边界，边界节点连接DS区域和非区域和非DS区域。实现区域。实现传输的分类和调节机制；保存流的状态信息；根据预订的传输的分类和调节机制；保存流的状
17、态信息；根据预订的流规格对进入（离开）区域的流进行调节，包括计量、标流规格对进入（离开）区域的流进行调节，包括计量、标记、整形、丢弃等，使输入流符合预先制定的传输调节协记、整形、丢弃等，使输入流符合预先制定的传输调节协议，并在包头标记议，并在包头标记DSCP值，分类归入行为聚集。值，分类归入行为聚集。v内部节点实现一组或若干组内部节点实现一组或若干组PHB,是一个多对一的映射。是一个多对一的映射。其他概念其他概念vDSCP：IPv4包头的包头的TOS字节，字节，IPv6包头中的流类型字节的前包头中的流类型字节的前6位。位。v边界节点的传输分类和调节机制边界节点的传输分类和调节机制v每跳行为每跳
18、行为PHB：可以用一些流特性参数如延迟、丢失率描述，：可以用一些流特性参数如延迟、丢失率描述，多个共存时，需指定优先级；多个共存时，需指定优先级；PHB本质描述的是单个节点为本质描述的是单个节点为特定流聚集分配资源的方式，仅是外特性描述，不涉及具体特定流聚集分配资源的方式，仅是外特性描述，不涉及具体的实现机制，实现时可以通过队列调度和缓冲管理等各算法。的实现机制，实现时可以通过队列调度和缓冲管理等各算法。v多个多个PHB由于彼此关系密切，需同时定义，实现时就构成一由于彼此关系密切，需同时定义，实现时就构成一个个PHB组，具有相似构造的组，具有相似构造的PHB组构成组构成PHB组族。组族。区分服务分类区分服务分类v奖赏服务奖赏服务PS，低延迟、低抖动、低丢失率，保，低延迟、低抖动、低丢失率，保证带宽证带宽v确保服务确保服务AS：带宽和丢失率。一种优化服务。：带宽和丢失率。一种优化服务。公平性问题公平性问题v同一流内的各微流享受同等待遇。同一流内的各微流享受同等待遇。v影响因素：各微流特性不同；服务实现机制不同影响因素：各微流特性不同；服务实现机制不同v适应流和非适应流之间的公平性适应流和非适应流之间的公平性v对对web流等的公平待遇流等的公平待遇v控制进入区域的总流量，可使用动态反馈机制。控制进入区域的总流量，可使用动态反馈机制。