計算機網絡——22TCP擁塞

TCP擁塞

TCP擁塞控制機制

端到端的擁塞控制機制

  • 路由器不向主機有關擁塞的反饋信息
    • 路由器的負擔較輕
    • 符合網絡核心簡單的TCP/IP架構原則
  • 端系統根據自身得到的信息，判斷是否發生擁塞，從而采取動作

擁塞控制的幾個問題

  • 如何檢測擁塞
    • 輕微擁塞
    • 擁塞
  • 控制策略
    • 在擁塞發送時如何動作，降低速率
      • 輕微擁塞，如何降低
      • 擁塞時，如何降低
    • 在擁塞緩解時如何動作，增加速率

TCP擁塞感知

發送端如何探測到擁塞

  • 某個段超時了（丟失事件 ）：擁塞
    • 超時時間到，某個段的確認沒有來
    • 原因1：網絡擁塞（某個路由器緩沖區沒空間了，被丟棄）概率大
    • 原因2：出錯被丟棄了（各級錯誤，沒有通過校驗，被丟棄）概率小
    • 一旦超時，就認為擁塞了，有一定誤判，但是總體控制方向是對的

在這里插入圖片描述

  • 有關某個段的3次重復ACK：輕微擁塞
    • 段的第1個ack，正常，確認綠段，期待紅段
    • 段的第2個重復ack，意味著紅段的后一段收到了，藍段亂序到達
    • 段的第2、3、4個ack重復，意味著紅段的后第2、3、4個段收到了 ，橙段亂序到達，同時紅段丟失的可能性很大（后面3個段都到了， 紅段都沒到）
    • 網絡這時還能夠進行一定程度的傳輸，擁塞但情況要比上面好

TCP速率控制方法

如何控制發送端發送的速率

  • 維持一個擁塞窗口的值(主要手段) ：CongWin （表示發送方往網絡中的注入字節數）
  • 發送端限制 已發送但是未確認 的數據量（的上限）: LastByteSent - LastByteAcked ≤ CongWin
  • 從而粗略地控制發送方的往網絡中注入的速率

在這里插入圖片描述

  • CongWin是動態的，是感知到的網絡擁塞程度的函數
    • 超時或者3個重復ack，CongWin下降
      • 超時時：CongWin降為1MSS，進入SS階段然后再倍增到 CongWin(原) / 2（每個RTT），從而進入CA階段
      • 3個重復ack ：CongWin降為CongWin/2,CA階段
    • 否則（正常收到Ack，沒有發送以上情況）：CongWin躍躍欲試上升（這是為了滿足“在不發生擁塞的情況下提高吞吐率”的目的）

TCP擁塞控制和流量控制的聯合動作

聯合控制的方法

  • 發送端控制發送但是未確認的量同時也不能超過接收窗口，滿足流量控制要求
    • SendWin = min { CongWin , RecvWin }
    • 同時滿足 擁塞控制和流量控制要求

TCP慢啟動

  • 連接剛建立, CongWin = 1 MSS
    • 如: MSS = 1460bytes & RTT = 200 msec
    • 初始速率 = 58.4kbps
  • 可用帶寬可能 >> MSS/RTT
    • 應該盡快加速，到達希望的速率
  • 當連接開始時，指數性增加發送速率，直到發生丟失的事件
    • 啟動初值很低
    • 但是速度很快
  • 當連接開始時，指數性增 加（每個RTT）發送速率 直到發生丟失事件
    • 每一個RTT， CongWin加倍
    • 每收到一個ACK時， CongWin加1（相當于每個RTT，CongWin加倍）
    • 慢啟動階段：只要不超時或 3個重復ack，一個RTT， CongWin加倍

在這里插入圖片描述

  • 總結:
    • 初始速率很慢，但是加速卻是指數性的
    • 指數增加，SS時間很短，長期來看可以忽略

AIMD

  • 乘性減: 丟失事件后將CongWin降為1(ss階段通常可忽略，故相當于直接減少到 CongWin/2 )，將CongWin/2作為閾值，進入慢啟動階段（倍增直到 CongWin/2）
  • 加性增： 當 CongWin >閾值時，一個 RTT 如沒有發生丟失事件，將 CongWin 加1MSS : 探測（也就是主鍵添加，探測是否到達閾值）

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改進

  • Q：什么時候應該將指數性增長變成線性？
  • A：在超時之前，當CongWin變成上次發生超時的窗口的一半

在這里插入圖片描述

實現:

  • 變量：Threshold
  • 出現丟失（超時或者3個ACK），Threshold設置成CongWin的1/2

總結：TCP擁塞控制

  • 當CongWin＜Threshold, 發送端處于慢啟動階段（ slow-start）, 窗口指數性增長.
  • 當CongWin > Threshold, 發送端處于擁塞避免階段 （congestion-avoidance）, 窗口線性增長.
  • 當收到三個重復的ACKs (triple duplicate ACK), Threshold設置成 CongWin/2， CongWin=Threshold+3.
  • 當超時事件發生時timeout, Threshold=CongWin/2 CongWin=1 MSS，進入SS階段

TCP發送端擁塞控制

事件狀態TCP發送端行為解釋
以前沒有收到ACK的data，被ACKed慢啟動(SS)CongWin = CongWin + MSS,If (CongWin > Threshold)，狀態變成“CA”每一個RTT CongWin 加倍
以前沒有收到ACK的data，被ACKed 擁塞避免(CA)CongWin = CongWin+MSS * (MSS/CongWin)線性增加, 每一個RTT對CongWin 加一個1 MSS
通過收到3個重復的ACK，發現丟失的事件SS or CAThreshold = CongWin/2, CongWin = Threshold+3, 狀態變成“CA”快速重傳, 實現乘性的減，CongWin 沒有變成1MSS.
超時SS or CAThreshold = CongWin/2,CongWin = 1 MSS,狀態變成“SS”進入slow start
重復的ACKSS or CA對被ACKed 的segment， 增加重復ACK的計數CongWin and Threshold不變

TCP擁塞控制FSM

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TCP吞吐量

TCP的平均吞吐量是多少，使用窗口window尺寸W和RTT來 描述?
(忽略慢啟動階段，假設發送端總有數據傳輸)

  • W：發生丟失事件時的窗口尺寸（單位：字節）
    • 平均窗口尺寸（#in-flight字節）：3/4W
    • 平均吞吐量：一個RTT時間吞吐3/4W， avg TCP thruput = 3/4 * (W/RTT) bytes/sec
      由下圖所示，w/2→w所需要的時間是2RTT

在這里插入圖片描述

因此 T = (w/2 + w) / (2*RTT) = 3w/4RTT

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TCP 公平性

公平性目標: 如果 K個TCP會話分享一個鏈路帶寬為R的 瓶頸，每一個會話的有效帶寬為 R/K

2個競爭的TCP會話:

在這里插入圖片描述
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公平性和 UDP

  • 多媒體應用通常不是用 TCP
    • 應用發送的數據速率希望 不受擁塞控制的節制
  • 使用UDP:
    • 音視頻應用泵出數據的速率是恒定的, 忽略數據的丟失
      也就是UDP會搶占TCP的資源

公平性和并行TCP連接

  • 2個主機間可以打開多個并行的TCP連接
  • 例如: 帶寬為R的鏈路支持了 9個連接;
    • 如果新的應用要求建1個TCP連接,獲得帶寬R/10
    • 如果新的應用要求建11個TCP連接,獲得帶寬R/2

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