《TCP擁塞控制報(bào)告》ppt課件

1、TCP擁塞控制擁塞控制的定義 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在過(guò)多報(bào)文時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擁塞。 分組交換網(wǎng)絡(luò)的性能功率、往返時(shí)間RTT、吞吐量與負(fù)荷的關(guān)系用以下圖來(lái)說(shuō)明 網(wǎng)絡(luò)中的擁塞問(wèn)題必須依靠TCP層端到端控制和lP層鏈路控制的共同作用才能有效的解決，其中TCP層的擁塞控制仍然會(huì)起主要的、根底的作用。端到端TCP擁塞控制的本質(zhì)思想是通過(guò)調(diào)整發(fā)送端的發(fā)送速率來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷量。詳細(xì)地說(shuō)，TCP不斷地通過(guò)加大發(fā)送的速率來(lái)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際承載才能進(jìn)展探測(cè)，并隨時(shí)準(zhǔn)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的擁塞信息作出響應(yīng)，即迅速減小向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信息的速率，并在新的起點(diǎn)上繼續(xù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展試探。根本概念擁塞窗口cwnd :擁塞控制的

2、關(guān)鍵參數(shù)，控制源端在擁塞情況下一次最多能發(fā)送多少數(shù)據(jù)包。 接收窗口rwnd:接收端對(duì)源端發(fā)送窗口大小所做的限制，在建立連接時(shí)山接收方通過(guò)ACK確認(rèn)帶給源端 慢啟動(dòng)閥值ssthresh :擁塞控制中用來(lái)限制發(fā)送窗口大小的門(mén)限值，它是慢啟動(dòng)階段與擁塞防止階段的分界點(diǎn)，初始值設(shè)為65535 bytes或awnd的大小。 回路響應(yīng)時(shí)間RTT:一個(gè)數(shù)據(jù)包從源端發(fā)送到接收端直至源端收到接收端R寸該數(shù)據(jù)包確認(rèn)信息所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。 超時(shí)重傳計(jì)數(shù)器RTO :描繪數(shù)據(jù)包從發(fā)送到失效的時(shí)間間隔，是源端用來(lái)判斷數(shù)據(jù)報(bào)是否喪失和網(wǎng)絡(luò)擁塞的重要參數(shù)，通常設(shè)為2RTT或SRTT發(fā)送端的發(fā)送窗口的上限值應(yīng)當(dāng)取為接收端窗口

3、rwnd 和擁塞窗口 cwnd 這兩個(gè)變量中較小的一個(gè)，即應(yīng)按以下公式確定：發(fā)送窗口的上限值 Min rwnd, cwnd 當(dāng) rwnd cwnd 時(shí)，是接收端的接收才能限制發(fā)送窗口的最大值。當(dāng) cwnd rwnd 時(shí)，那么是網(wǎng)絡(luò)的擁塞限制發(fā)送窗口的最大值。 TCP 擁塞控制的四個(gè)階段慢啟動(dòng)階段擁塞防止階段快速重傳階段快速恢復(fù)階段1慢啟動(dòng)階段 當(dāng)連接剛建立或超時(shí)時(shí)，進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。 當(dāng)新建TCP 連接時(shí)，擁塞窗口cwnd被初始化為一個(gè)數(shù)據(jù)包大小缺省為512或536bytes 。實(shí)際發(fā)送窗口win取擁塞窗口與接收方提供的通告窗口的較小值，即win=mincwnd, awnd，每收到一個(gè)ACK 確

4、認(rèn)，就增加一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送量，這樣慢啟動(dòng)階段cwnd 隨RTT呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 慢啟動(dòng)采用逐漸增大cwnd 的方法，可以防止TCP 在啟動(dòng)一個(gè)連接時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)多的數(shù)據(jù)包而造成不必要的數(shù)據(jù)喪失和網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且它還可以防止采用單純的AIMD 算法造成的吞吐量增加過(guò)慢的問(wèn)題為了防止cwnd 的無(wú)限制增長(zhǎng)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，引入一個(gè)狀態(tài)變量：慢啟動(dòng)閾值ssthresh 當(dāng)cwndssthresh 時(shí)，使用下面的擁塞防止算法，減緩cwnd 的增長(zhǎng)速度。2擁塞防止階段當(dāng)TCP 源端發(fā)現(xiàn)超時(shí)或收到3 個(gè)一樣的ACK 確認(rèn)幀時(shí)，即認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生擁塞，此時(shí)進(jìn)入擁塞防止階段。在擁塞防止階段，慢啟

5、動(dòng)域值ssthresh 將被設(shè)置為當(dāng)前cwnd 的一半，當(dāng)發(fā)生超時(shí)時(shí)，cwnd 被置為初始值1。此時(shí)，假如cwnd=ssthresh，那么執(zhí)行擁塞防止算法，即cwnd 在每次收到一個(gè)ACK 確認(rèn)時(shí)只增加1/cwnd 個(gè)數(shù)據(jù)包。擁塞防止階段cwnd 隨RTT 呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。 算法描繪如下：初始化:cwnd=1 ssthresh=65535bytes win=mincwnd, awnd 當(dāng)新的ACK確認(rèn)到達(dá)時(shí)，執(zhí)行以下算法: for every arrived packets if cwndssthresh cwnd+=1；慢啟動(dòng) else cwnd+=SMSS*SMSS/cwnd; 擁塞防止階段

6、當(dāng)檢測(cè)到丟包時(shí)，發(fā)送方執(zhí)行以下操作: ssthresh=maxmincwnd/2,awin,2; 假如檢測(cè)到定時(shí)器超時(shí)，cwnd=1;其中SMSS是發(fā)送方的最大報(bào)文段長(zhǎng)度. 從以上算法看出：在擁塞防止階段，當(dāng)數(shù)據(jù)包超時(shí)時(shí)，cwnd 被置為1，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)階段，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)大地減小發(fā)送窗口尺寸，降低TCP 連接的吞吐量。因此，引入了快速重傳和快速恢復(fù)機(jī)制。 3快速重傳階段當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，假如源端等待超時(shí)之后再進(jìn)展擁塞控制，那么從出現(xiàn)擁塞到施行控制有一定的時(shí)延。除了超時(shí)之外，源端還可以使用重復(fù)ACK作為擁塞信號(hào)。源端在接收到重復(fù)ACK時(shí)并不能確定是由于分組喪失還是分組亂序產(chǎn)生的，通常假定假如是分

7、組亂序，在目的端處理之前源端只可能收到一個(gè)或兩個(gè)重復(fù)的ACK;假如源端連續(xù)接收到三個(gè)或更多的重復(fù)ACK，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中某處已經(jīng)發(fā)生了擁塞，這時(shí)，源端不等到重傳定時(shí)器超時(shí)就重發(fā)這個(gè)可能喪失的分組，這就是快速重傳算法。在快速重傳階段，當(dāng)源端收到3 個(gè)或3 個(gè)以上重復(fù)的ACK 時(shí)，就斷定數(shù)據(jù)包喪失，同時(shí)ssthresh 設(shè)置為當(dāng)前cwnd的一半，并重傳喪失的包，進(jìn)入快速恢復(fù)階段。4快速恢復(fù)階段當(dāng)快速重傳算法重傳了可能喪失的分組之后，假如TCP重新進(jìn)入慢啟動(dòng)階段，將會(huì)使擁塞窗口減為1，重新開(kāi)場(chǎng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因此快速恢復(fù)算法在快速重傳之后轉(zhuǎn)去執(zhí)行擁塞防止算法，防止了過(guò)大地減小發(fā)送窗口

8、而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能下降。在快速恢復(fù)階段，每收到重復(fù)的ACK，那么cwnd 加1；收到非重復(fù)ACK 時(shí)，置cwndssthresh，轉(zhuǎn)入擁塞防止階段；假如發(fā)生超時(shí)重傳，那么置ssthresh 為當(dāng)前cwnd 的一半，cwnd1，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。算法描繪如下： step 1: if dupacks=3 ssthresh=max 2, cwnd/2; cwnd=ssthresh+3 * segsize; step 2:重傳喪失的分組 step 3:此后每收到一個(gè)重復(fù)的ACK確認(rèn)時(shí)cwnd=cwnd+1 step 4:當(dāng)收到對(duì)新發(fā)送數(shù)據(jù)的ACK確認(rèn)時(shí)，cwnd=ssthresh，這個(gè)ACK可以對(duì)那些

9、在喪失的分組之后，第一個(gè)重復(fù)ACK之前發(fā)送的所有包進(jìn)展確認(rèn)經(jīng)典的TCP擁塞控制算法TCP TahoeTCP RenoTCP NewRenoTCP VegasTCP Tahoe 算法Tahoe 算法是TCP 的早期版本。它的核心思想是：讓cwnd以指數(shù)增長(zhǎng)方式迅速逼進(jìn)可用信道容量，然后漸漸接近平衡。Tahoe 包括3 個(gè)根本的擁塞控制算法：“慢啟動(dòng)、“擁塞防止和“快速重傳。Tahoe 算法存在著缺乏之處：在收到3 個(gè)重復(fù)ACK 或在超時(shí)的情況下，Tahoe 置cwnd 為1，然后進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。這一方面會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的劇烈振蕩，另一方面大大降低了網(wǎng)絡(luò)的利用率。TCP Reno算法針對(duì)Tahoe算法的

10、缺乏，提出了改進(jìn)算法Reno。改進(jìn)主要有兩方面：一是對(duì)于收到連續(xù)3個(gè)重復(fù)的ACK確認(rèn)，算法不經(jīng)過(guò)慢啟動(dòng)，而直接進(jìn)入擁塞防止階段；二是增加了快速重傳和快速恢復(fù)機(jī)制。Reno算法以其簡(jiǎn)單、有效和魯棒性成為T(mén)CP源算法的主流，被廣泛的采用。但它不能有效的處理多個(gè)分組從同 一數(shù)據(jù)窗口喪失的情況。TCP New RenoTCP New Reno修改了TCP Reno的快速恢復(fù)算法，處理一個(gè)窗口中的多個(gè)報(bào)文段同時(shí)喪失時(shí)出現(xiàn)的“部分確認(rèn)Partial ACKs，它在快速恢復(fù)階段到達(dá)并且確認(rèn)新數(shù)據(jù)，但它只確認(rèn)進(jìn)入快速重傳之前發(fā)送的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。在這種情況下，TCP Reno會(huì)退出快速恢復(fù)狀態(tài)，等待重傳定時(shí)器溢出

11、或者重復(fù)確實(shí)認(rèn)ACK到達(dá)，但是TCP New Reno并不退出快速恢復(fù)狀態(tài)，而是1重傳緊接著那個(gè)部分ACK之后的報(bào)文段，擁塞窗口等于其減去部分的ACK；2對(duì)于得到確認(rèn)的新數(shù)據(jù)，設(shè)置cwnd等于其加上SMSS：3對(duì)于第一個(gè)或每一個(gè)Partial ACK，重傳定時(shí)器復(fù)位。Vegas 算法1994年，Brakmo提出了TCP Vegas算法，TCP Vegas是一種截然不同的擁塞控制算法，它采用一種更巧妙的帶寬估計(jì)策略，根據(jù)期望的流量速率與實(shí)際速率的差估計(jì)網(wǎng)絡(luò)瓶頸處的可用帶寬。TCP Vegas對(duì)TCP Reno主要做了三個(gè)方面的改進(jìn)，分別是快速重傳機(jī)制、擁塞防止階段和慢啟動(dòng)階段，這三個(gè)方面改進(jìn)的詳

12、細(xì)情況如下：對(duì)快速重傳機(jī)制的改進(jìn)TCP Vegas主要在兩個(gè)方面對(duì)快速重傳進(jìn)展了改進(jìn)，使得探測(cè)丟包現(xiàn)象變得更及時(shí)，且能進(jìn)一步減少超時(shí)情況的發(fā)生。第一個(gè)改進(jìn)措施是，當(dāng)TCP Vegas收到重復(fù)確實(shí)認(rèn)包時(shí)，計(jì)算從發(fā)送該數(shù)據(jù)包時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)問(wèn)間隔，比較是否大于RTO，假如是，Vegas就重傳該數(shù)掘包而不用等到第2、3個(gè)重復(fù)確認(rèn)包的到達(dá)，如以下圖所示。而且在TCP Vegas中使用了比TCP Reno更為準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)器，可以測(cè)得更加準(zhǔn)確的RTT以及其他的一些時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)RTT的估計(jì)將更加準(zhǔn)確，同樣也能得到更加準(zhǔn)確的超時(shí)時(shí)間。第二個(gè)改進(jìn)措施是當(dāng)檢測(cè)到超時(shí)并重傳數(shù)據(jù)包后，收到第1個(gè)或第2個(gè)非重復(fù)確認(rèn)包時(shí)

13、，檢查從重傳該數(shù)據(jù)包到收到非重復(fù)確認(rèn)包的時(shí)間間隔，時(shí)間間隔假設(shè)大于超時(shí)時(shí)間，就認(rèn)為發(fā)生了丟包，并重傳該數(shù)據(jù)包。這樣可以不用等到重復(fù)確實(shí)認(rèn)包到達(dá)，就準(zhǔn)確的傳送在重傳前發(fā)生丟包的那些數(shù)據(jù)，這在發(fā)生多個(gè)丟包的時(shí)候尤為重要，否那么發(fā)送端會(huì)一直等待直到超時(shí)，其過(guò)程如以下圖所示:擁塞防止機(jī)制的改進(jìn)Reno是把丟包情況作為擁塞發(fā)生的信號(hào)，而Vegas那么是通過(guò)計(jì)算期望值的吞吐量與實(shí)際吞吐量之間的差來(lái)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)瓶頸處的可用帶寬。由于Vegas不需要等到丟包才認(rèn)為發(fā)生了擁塞，所以能更有效的利用帶寬。其根本思想是期望的吞吐量與實(shí)際的吞吐量相差超過(guò)一定值時(shí)，就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞程度嚴(yán)重，應(yīng)該減小發(fā)送窗口；另一方面，當(dāng)兩者之

14、間的差距小于一定值時(shí)，那么認(rèn)為連接沒(méi)有完全有效的利用帶寬，應(yīng)該要增大發(fā)送窗口。TCP Vegas在擁塞防止階段的詳細(xì)算法為：1、計(jì)算期望的吞吐量與實(shí)際吞吐量之間的差值 其中 代表傳輸延時(shí)，也是當(dāng)緩存中數(shù)據(jù)包為空時(shí)的RTT值BaseRTT, cwnd代表源端在每個(gè)往返時(shí)間RTT中允許發(fā)送窗口的大小，期望的吞吐量為cwnd/T，設(shè)r代表實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的RTT，實(shí)際的吞吐量為cwnd /rcwndcwndr2、由1式得到路由器緩存中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為 13、塞窗口的調(diào)整策略： ()cwndcwnddr( ) 1,(1)( ),( ) 1,cwnd kcwnd kcwnd kcwnd kTCP Vegas線(xiàn)性增大或減小窗口是基于dk的大小，dk代表數(shù)據(jù)包在路由器中的數(shù)量，當(dāng)dk小于 時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)資源還沒(méi)有充分利用，需要進(jìn)一步的增大發(fā)送窗口，當(dāng)d k大于 時(shí)，那么減小發(fā)送窗口，防止發(fā)生擁塞。假如在 , 之間，那么窗口不變?？捎孟旅娴墓絹?lái)說(shuō)明:( ) 1,(1)( ),( ) 1,cwnd kcwnd kcwnd kcwnd k()dk( )d k( )d k慢啟動(dòng)階段的改進(jìn)TCP Reno在慢啟動(dòng)階段的每個(gè)RTT內(nèi)窗口都會(huì)增大一倍