主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-1
第 4讲 传输层之二
本讲目的,
?Internet传输层
的实现和实例
?教科书参考
?第 8章
本讲概述,
? 面向连接的传输, TCP
? 可靠传输
? 流量控制
? 连接管理
? TCP拥塞控制
? 拥塞控制原则
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-2
TCP,概述 RFCs,793,1122,1323,2018,2581
? 全双工数据传输,
? 在同一连接上双向传输
? MSS,maximum
segment size（最大段字
节数 -1500,536,512）
? 面向连接,
? 握手过程 (交换控制信息 )
在交换数据前初始化收发
双方的状态,“三次握手”
? 流量控制,
? 发送方的发送速度不得超
过接收方的处理速度
? 点对点,
? 一个发送方,一个接收方
? 可靠,按序的字节流,
? 无,报文边界”，无结构
但有顺序
? 流水式控制,
? TCP的拥塞和流量控制，设
置窗口大小
? 发送 & 接收缓存
s oc k et
door
T CP
s en d b uf f er
T CP
r ec ei v e b uf f er
s oc k et
door
s e g m e n t
ap pl i c ati on
w r i tes da ta
ap pl i c ati on
r ea ds da ta
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-3
TCP 段格式 (p238)
source port # dest port #
32 bits
应用数据
(可变长度 )
sequence number
acknowledgement number
rcvr window size
ptr urgent datachecksum
FSRPAUheadlen notused
Options (可变长度 -MSS)
URG,urgent data
（一般不用）
ACK,ACK #
valid
PSH,push data now
(一般不用 )
RST,SYN,FIN:
connection estab
(setup,teardown
commands)
# bytes
接收方愿意
接受的
按发送数据的字
节计算
(不是按段数 !)
Internet
checksum
(as in UDP)
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-4
TCP seq,#’s 和 ACKs
Seq,#’s:
? 该数据段第一个字节
在（整个报文）字节
流中,编号,
ACKs:
? seq #为预期从对方
发来的“下一个”字
节的编号
? 积累的 ACK
Q,接收方如何接受失序的
数据段
? A,TCP 没有定义,
- 由程序设计者决定
Host A Host B
User
types
‘C’
host ACKs
receipt
of echoed
‘C’
host ACKs
receipt of
‘C’,echoes
back ‘C’
time
简单的 telnet 场景
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-5
TCP,可靠数据传输
简化的发送方,假设
wait
for
event
wait
for
event
event,data received
from application above
event,timer timeout for
segment with seq # y
event,ACK received,
with ACK # y
create,send segment
retransmit segment
ACK processing
?单向数据传输
?无流量,拥塞控制
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-6
TCP,可
靠数据传
输
00 sendbase = initial_sequence number
01 nextseqnum = initial_sequence number
02
03 loop (forever) {
04 switch(event)
05 event,data received from application above
06 create TCP segment with sequence number nextseqnum
07 start timer for segment nextseqnum
08 pass segment to IP
09 nextseqnum = nextseqnum + length(data)
10 event,timer timeout for segment with sequence number y
11 retransmit segment with sequence number y
12 compue new timeout interval for segment y
13 restart timer for sequence number y
14 event,ACK received,with ACK field value of y
15 if (y > sendbase) { /* cumulative ACK of all data up to y */
16 cancel all timers for segments with sequence numbers < y
17 sendbase = y
18 }
19 else { /* a duplicate ACK for already ACKed segment */
20 increment number of duplicate ACKs received for y
21 if (number of duplicate ACKS received for y == 3) {
22 /* TCP fast retransmit */
23 resend segment with sequence number y
24 restart timer for segment y
25 }
26 } /* end of loop forever */
简化的
TCP
发送方
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-7
TCP ACK 规则 [RFC 1122,RFC 2581]
事件
有序数据段到达,
没有缺失的段,
所有其他数据段已经 ACKed
有序数据段到达,
没有缺失的段,
有一个延迟 ACK 等待
失序数据段到达
seq,# 高于预期值
测到间隔
到达的数据段部分或全部填满
了缺失的段
TCP 接收方的动作
延迟 ACK,等待 500ms
看是否还有数据段到达, 如果没有,
发送 ACK
立即发送一个
积欠的 ACK
发送重复的 ACK,说明 seq,#
为下一个期望的字节
立即 ACK,如果数据段处于缺失的
段的较低端
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-8
TCP,重传场景
Host A
losst
im
eou
t
time 丢失 ACK 场景
Host B
X
Host A
Se
q=
92
tim
eou
t
time 过早超时,
积欠 ACKs
Host B
Se
q=
10
0 t
im
eou
t
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-9
TCP 流量控制
接收端, 显式通知发送
端 (动态变化中的 )
自由缓存空间
?RcvWindow
TCP 数据段的字
段
发送端, 需要保存已经
发送,unACKed 数
据可少于最近收到的
RcvWindow
发送端不可发送的太多
、太快以至于使得接收
端的缓存溢出
流量控制
接收端缓存
RcvBuffer = 接收端的 TCP 缓存大小
RcvWindow = 缓存中空闲的部分
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-10
TCP 交互的往返时间（ RTT）和超时
Q,如何设置 TCP 超时
的值?
? 应较 RTT长一点
? 注意, RTT 会变哟！
? 太短了, 过早出现超时
? 造成不必要的重传
? 太长了, 减缓了对数据段
丢失的反应
Q,如何估算 RTT?
? SampleRTT,对数据段发送到收到
ACK 回应的时间进行测量
? 忽略重传,积欠 ACKed 数据段
? SampleRTT 是会变化的,要使得
估算的 RTT,更平滑”
? 使用若干新近的测量结果,而不
仅仅是最近一次的 SampleRTT
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-11
TCP RTT 和超时 (p246)
EstimatedRTT = (1-x)*EstimatedRTT + x*SampleRTT
? 指数加权移动平均（ EWMA）
? 给定样本的影响随指数形式快速递减
? X的典型量值, 0.125或 1/8
设置超时
? EstimtedRTT 加上,安全边际 (safety margin)”
? 如果 EstimatedRTT变化较大 -> 加大安全边际
Timeout = EstimatedRTT + 4*Deviation
Deviation(偏差 ) = (1-x)*Deviation +
x*|SampleRTT-EstimatedRTT|
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-12
TCP 连接管理
回顾, TCP 收发双方在数据交
换开始之前需要建立连接
? 初始化 TCP变量,
? seq,#s
? 缓存,流量控制信息
(e.g,RcvWindow)
? 客户端, 连接的发起者
Socket clientSocket = new
Socket("hostname","port
number"); -JAVA
? 服务器, 接受客户端的连接
Socket connectionSocket =
welcomeSocket.accept();
(建立连接 )三次握手,
Step 1,客户端的 end system向服
务器发送 TCP SYN 控制数据段
? 定义并初始化 seq #
Step 2,服务器的 end system接收
SYN,用 SYNACK控制数据段回
答
? ACKs 接收到的 SYN
? 分配缓存
? 定义 server-> receiver 初
始化 seq,#
Step 3:客户端的 end system向服务
器发送 ACK
? ACKs 接收到的连接承诺
? 分配缓存
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-13
TCP 连接管理 (续 )
关闭连接,
客户端关闭插口,
clientSocket.close();
Step 1,客户端 end system
发送 TCP FIN 控制段给服
务器
Step 2,服务器 收到 FIN,
用 ACK应答, 关闭连接,发
送 FIN,
client server
close
close
closed
tim
ed
wa
it
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-14
TCP 连接管理 (续 )
Step 3,客户端 收到 FIN,
用 ACK进行应答,
? 随着对接收到的 FIN发送
ACK-同时进入,timed
wait（ 计时等待）”
Step 4,服务器,接收 ACK,
连接关闭,
注意, 稍加修改,即可管理同
时发生的多个 FINs.
client server
closing
closing
closed
tim
ed
w
ait
closed
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-15
TCP 连接管理 (续 )
TCP 客户端
实例的生命
周期
TCP 服务进程
的生命周期
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-16
拥塞控制原理
拥塞,
? 非正式的说法,,过多信源以过快的速率发送了过多的
数据、导致 网络 穷于应付”
? 不同于流量控制 !
? 后果,
?丢失数据分组 (路由器缓存溢出 )
?长时间的延迟 (在路由器的缓存中排队 )
? 在网络发展的技术中的 a top-10 problem!
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-17
缘由 /代价 -拥塞问题,场景 1
? 两个发送端,两个
接收端
? 一个路由器,有限
缓存
? 无重传机制
? 发生拥塞时的延
迟
? 可达到的最大吞
吐量
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-18
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 2
? 一个路由器,有限 缓存
? 发送端重传丢失的分组
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-19
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 2
? 设计期望, (goodput)
?,完美的” 重传仅仅是在分组丢失时,
? 重传被延迟的 (而不是丢失的 )分组造成大量无意义的 (比起完美
的情况 ) 对同样的
lin lout=
lin lout>
lin
lout
拥塞的“代价”,
? 在给定的,goodput”下需要做更多的工作 (重传 )
? 不必要的重传, 链路上充斥着分组的多个拷贝
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-20
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 3
? 四个发送端
? 多步跳路径
? 超时 /重传
linQ,当 和 增加时发
生了什么?
lin
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-21
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 3
另一种拥塞的“代价”,
? 当分组被丢弃时,所有“上游”信道为该分组所作的
工作统统被浪费了 !
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-22
拥塞问题的解决方案
端对端的拥塞控制,
? 没有来自网络的反馈信息
? 对拥塞问题的了解来自于对
数据丢失和延迟的推断
? 有 TCP来解决
网络辅助的拥塞控制,
? 路由器向端系统提供反馈
? 一个比特位的说明
(SNA,DECNet,
TCP/IP ECN,ATM)
? 显式告知发送方所应采用
的数据速率
两大类拥塞控制的办法,
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-23
案例研究, ATM ABR 拥塞控制
ABR,available bit
rate（可用数据速率）
:
?,弹性服务”
? 如果发送方的路径“欠负载
”
? 发送端应该把带宽用足
? 如果发送端路径拥塞,
? 发送端将其数据速率约
束到最小承诺速率
RM (resource management)
cells（资源管理信元）,
? 由发送端发送,掺和在数据信元
一起
? 在 RM 信元中的数据位由交换机
设定 (“网络辅助” )
? NI bit,不得增加发送速率 (
轻微拥塞 )
? CI bit,拥塞指示
? RM信元由接收端返回给发送端,
所有数据位保持原样
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-24
案例研究, ATM ABR 拥塞控制
? 在 RM信元中有 2字节的 ER (explicit rate) 字段
? 处于拥塞的交换机可降低信元中的 ER 值
? 发送端的发送速率可以在路径上得到最低程度的支持
? 数据信元的 EFCI 位, 在拥塞的交换机中被设成 1
? 如果在 RM信元之前的数据信元的 EFCI置 1,发送端将在返回的
RM的 RM信元中将 CI置 1
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-25
TCP 拥塞控制
? 端到端的控制 (无需网络协助 )
? 传输速率限制由建立在数据段之上的拥塞窗口尺寸 Congwin决定,
? w=数据段数量,每个具有 MSS字节,在一个 RTT周期
内发送,
吞吐量 = w * MSSRTT Bytes/sec
Congwin
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-26
TCP 拥塞控制,
? 两个,阶段,
? slow start（慢启动）
? congestion avoidance（
拥塞避免）
? 重要变量,
? Congwin
? threshold,定义两个
慢启动之间，拥塞控制阶
段的门限值
?, 刺探” 可用带宽,
? 理想情况, 全速传输
(Congwin 越大越好 ) 没
有数据丢失
? 增加 Congwin 直到出现
数据丢失 (拥塞 )
? 数据丢失, 减小
Congwin,然后重新开始
进行刺探 (增加 Congwin)
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-27
TCP Slowstart（慢启动）
? 窗口尺寸按指数递增 (每隔
RTT) (不算太慢 !)
? 丢失事件, 超时 (Tahoe TCP)
和 /或三次重复 ACKs (Reno
TCP)
initialize,Congwin = 1
for (each segment ACKed)
Congwin++
until (loss event OR
CongWin > threshold)
Slowstart 算法
Host A
RTT
Host B
time
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-28
TCP 拥塞避免
/* slowstart is over */
/* Congwin > threshold */
Until (loss event) {
every w segments ACKed:
Congwin++
}
threshold = Congwin/2
Congwin = 1
perform slowstart
拥塞避免
1
1,在出现三次重复的 ACK后,TCP Reno 将跳过 slowstart (快速恢复 )
在此阶段,Congwin以线性方式增长，发生超时，门限值减半
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-29
TCP 拥塞避免策略,
? AIMD:
? additive increase（ 加
法形式增加）；
multiplicative decrease
（ 倍数形式减少）
? 每个 RTT将窗口尺寸
加 1
? 当发生数据丢失时用 2
除窗口尺寸
AIMD
教科书：
p244-245
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-30
TCP 公平性
公平性目标, 如果 N TCP 会
话共享瓶颈链路,每个应该
分得 1/N 链路传输能力
TCP connection 1
bottleneck
router
capacity R
TCP
connection 2
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-31
为什么说 TCP是公平的?
两个竞争性的会话,
? 当吞吐量增加时，加法的结果斜率为 1
? 而成倍递减则会等比减少连接的吞吐量
R
R
同等的带宽共享
连接 1 的吞吐量
congestion avoidance,additive increase
loss,decrease window by factor of 2
拥塞避免, 加法形式增加窗口尺寸
丢包, 以 2为除数减小窗口来进行
带宽的
充分使用
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-32
第 4讲, 小结
? 传输层服务原理,
? 复用 /分用
? 可靠数据传输
? 流量控制
? 拥塞控制
? 因特网传输层的实现和实例
? UDP
? TCP
下一步,
? 离开网络的“边缘”
(应用 / 传输层 )
? 进入网络的,核心
”
第 4讲 传输层之二
本讲目的,
?Internet传输层
的实现和实例
?教科书参考
?第 8章
本讲概述,
? 面向连接的传输, TCP
? 可靠传输
? 流量控制
? 连接管理
? TCP拥塞控制
? 拥塞控制原则
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-2
TCP,概述 RFCs,793,1122,1323,2018,2581
? 全双工数据传输,
? 在同一连接上双向传输
? MSS,maximum
segment size（最大段字
节数 -1500,536,512）
? 面向连接,
? 握手过程 (交换控制信息 )
在交换数据前初始化收发
双方的状态,“三次握手”
? 流量控制,
? 发送方的发送速度不得超
过接收方的处理速度
? 点对点,
? 一个发送方,一个接收方
? 可靠,按序的字节流,
? 无,报文边界”，无结构
但有顺序
? 流水式控制,
? TCP的拥塞和流量控制，设
置窗口大小
? 发送 & 接收缓存
s oc k et
door
T CP
s en d b uf f er
T CP
r ec ei v e b uf f er
s oc k et
door
s e g m e n t
ap pl i c ati on
w r i tes da ta
ap pl i c ati on
r ea ds da ta
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-3
TCP 段格式 (p238)
source port # dest port #
32 bits
应用数据
(可变长度 )
sequence number
acknowledgement number
rcvr window size
ptr urgent datachecksum
FSRPAUheadlen notused
Options (可变长度 -MSS)
URG,urgent data
（一般不用）
ACK,ACK #
valid
PSH,push data now
(一般不用 )
RST,SYN,FIN:
connection estab
(setup,teardown
commands)
# bytes
接收方愿意
接受的
按发送数据的字
节计算
(不是按段数 !)
Internet
checksum
(as in UDP)
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-4
TCP seq,#’s 和 ACKs
Seq,#’s:
? 该数据段第一个字节
在（整个报文）字节
流中,编号,
ACKs:
? seq #为预期从对方
发来的“下一个”字
节的编号
? 积累的 ACK
Q,接收方如何接受失序的
数据段
? A,TCP 没有定义,
- 由程序设计者决定
Host A Host B
User
types
‘C’
host ACKs
receipt
of echoed
‘C’
host ACKs
receipt of
‘C’,echoes
back ‘C’
time
简单的 telnet 场景
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-5
TCP,可靠数据传输
简化的发送方,假设
wait
for
event
wait
for
event
event,data received
from application above
event,timer timeout for
segment with seq # y
event,ACK received,
with ACK # y
create,send segment
retransmit segment
ACK processing
?单向数据传输
?无流量,拥塞控制
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-6
TCP,可
靠数据传
输
00 sendbase = initial_sequence number
01 nextseqnum = initial_sequence number
02
03 loop (forever) {
04 switch(event)
05 event,data received from application above
06 create TCP segment with sequence number nextseqnum
07 start timer for segment nextseqnum
08 pass segment to IP
09 nextseqnum = nextseqnum + length(data)
10 event,timer timeout for segment with sequence number y
11 retransmit segment with sequence number y
12 compue new timeout interval for segment y
13 restart timer for sequence number y
14 event,ACK received,with ACK field value of y
15 if (y > sendbase) { /* cumulative ACK of all data up to y */
16 cancel all timers for segments with sequence numbers < y
17 sendbase = y
18 }
19 else { /* a duplicate ACK for already ACKed segment */
20 increment number of duplicate ACKs received for y
21 if (number of duplicate ACKS received for y == 3) {
22 /* TCP fast retransmit */
23 resend segment with sequence number y
24 restart timer for segment y
25 }
26 } /* end of loop forever */
简化的
TCP
发送方
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-7
TCP ACK 规则 [RFC 1122,RFC 2581]
事件
有序数据段到达,
没有缺失的段,
所有其他数据段已经 ACKed
有序数据段到达,
没有缺失的段,
有一个延迟 ACK 等待
失序数据段到达
seq,# 高于预期值
测到间隔
到达的数据段部分或全部填满
了缺失的段
TCP 接收方的动作
延迟 ACK,等待 500ms
看是否还有数据段到达, 如果没有,
发送 ACK
立即发送一个
积欠的 ACK
发送重复的 ACK,说明 seq,#
为下一个期望的字节
立即 ACK,如果数据段处于缺失的
段的较低端
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-8
TCP,重传场景
Host A
losst
im
eou
t
time 丢失 ACK 场景
Host B
X
Host A
Se
q=
92
tim
eou
t
time 过早超时,
积欠 ACKs
Host B
Se
q=
10
0 t
im
eou
t
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-9
TCP 流量控制
接收端, 显式通知发送
端 (动态变化中的 )
自由缓存空间
?RcvWindow
TCP 数据段的字
段
发送端, 需要保存已经
发送,unACKed 数
据可少于最近收到的
RcvWindow
发送端不可发送的太多
、太快以至于使得接收
端的缓存溢出
流量控制
接收端缓存
RcvBuffer = 接收端的 TCP 缓存大小
RcvWindow = 缓存中空闲的部分
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-10
TCP 交互的往返时间（ RTT）和超时
Q,如何设置 TCP 超时
的值?
? 应较 RTT长一点
? 注意, RTT 会变哟！
? 太短了, 过早出现超时
? 造成不必要的重传
? 太长了, 减缓了对数据段
丢失的反应
Q,如何估算 RTT?
? SampleRTT,对数据段发送到收到
ACK 回应的时间进行测量
? 忽略重传,积欠 ACKed 数据段
? SampleRTT 是会变化的,要使得
估算的 RTT,更平滑”
? 使用若干新近的测量结果,而不
仅仅是最近一次的 SampleRTT
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-11
TCP RTT 和超时 (p246)
EstimatedRTT = (1-x)*EstimatedRTT + x*SampleRTT
? 指数加权移动平均（ EWMA）
? 给定样本的影响随指数形式快速递减
? X的典型量值, 0.125或 1/8
设置超时
? EstimtedRTT 加上,安全边际 (safety margin)”
? 如果 EstimatedRTT变化较大 -> 加大安全边际
Timeout = EstimatedRTT + 4*Deviation
Deviation(偏差 ) = (1-x)*Deviation +
x*|SampleRTT-EstimatedRTT|
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-12
TCP 连接管理
回顾, TCP 收发双方在数据交
换开始之前需要建立连接
? 初始化 TCP变量,
? seq,#s
? 缓存,流量控制信息
(e.g,RcvWindow)
? 客户端, 连接的发起者
Socket clientSocket = new
Socket("hostname","port
number"); -JAVA
? 服务器, 接受客户端的连接
Socket connectionSocket =
welcomeSocket.accept();
(建立连接 )三次握手,
Step 1,客户端的 end system向服
务器发送 TCP SYN 控制数据段
? 定义并初始化 seq #
Step 2,服务器的 end system接收
SYN,用 SYNACK控制数据段回
答
? ACKs 接收到的 SYN
? 分配缓存
? 定义 server-> receiver 初
始化 seq,#
Step 3:客户端的 end system向服务
器发送 ACK
? ACKs 接收到的连接承诺
? 分配缓存
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-13
TCP 连接管理 (续 )
关闭连接,
客户端关闭插口,
clientSocket.close();
Step 1,客户端 end system
发送 TCP FIN 控制段给服
务器
Step 2,服务器 收到 FIN,
用 ACK应答, 关闭连接,发
送 FIN,
client server
close
close
closed
tim
ed
wa
it
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-14
TCP 连接管理 (续 )
Step 3,客户端 收到 FIN,
用 ACK进行应答,
? 随着对接收到的 FIN发送
ACK-同时进入,timed
wait（ 计时等待）”
Step 4,服务器,接收 ACK,
连接关闭,
注意, 稍加修改,即可管理同
时发生的多个 FINs.
client server
closing
closing
closed
tim
ed
w
ait
closed
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-15
TCP 连接管理 (续 )
TCP 客户端
实例的生命
周期
TCP 服务进程
的生命周期
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-16
拥塞控制原理
拥塞,
? 非正式的说法,,过多信源以过快的速率发送了过多的
数据、导致 网络 穷于应付”
? 不同于流量控制 !
? 后果,
?丢失数据分组 (路由器缓存溢出 )
?长时间的延迟 (在路由器的缓存中排队 )
? 在网络发展的技术中的 a top-10 problem!
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-17
缘由 /代价 -拥塞问题,场景 1
? 两个发送端,两个
接收端
? 一个路由器,有限
缓存
? 无重传机制
? 发生拥塞时的延
迟
? 可达到的最大吞
吐量
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-18
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 2
? 一个路由器,有限 缓存
? 发送端重传丢失的分组
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-19
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 2
? 设计期望, (goodput)
?,完美的” 重传仅仅是在分组丢失时,
? 重传被延迟的 (而不是丢失的 )分组造成大量无意义的 (比起完美
的情况 ) 对同样的
lin lout=
lin lout>
lin
lout
拥塞的“代价”,
? 在给定的,goodput”下需要做更多的工作 (重传 )
? 不必要的重传, 链路上充斥着分组的多个拷贝
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-20
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 3
? 四个发送端
? 多步跳路径
? 超时 /重传
linQ,当 和 增加时发
生了什么?
lin
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-21
缘由 /代价 -拥塞问题, 场景 3
另一种拥塞的“代价”,
? 当分组被丢弃时,所有“上游”信道为该分组所作的
工作统统被浪费了 !
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-22
拥塞问题的解决方案
端对端的拥塞控制,
? 没有来自网络的反馈信息
? 对拥塞问题的了解来自于对
数据丢失和延迟的推断
? 有 TCP来解决
网络辅助的拥塞控制,
? 路由器向端系统提供反馈
? 一个比特位的说明
(SNA,DECNet,
TCP/IP ECN,ATM)
? 显式告知发送方所应采用
的数据速率
两大类拥塞控制的办法,
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-23
案例研究, ATM ABR 拥塞控制
ABR,available bit
rate（可用数据速率）
:
?,弹性服务”
? 如果发送方的路径“欠负载
”
? 发送端应该把带宽用足
? 如果发送端路径拥塞,
? 发送端将其数据速率约
束到最小承诺速率
RM (resource management)
cells（资源管理信元）,
? 由发送端发送,掺和在数据信元
一起
? 在 RM 信元中的数据位由交换机
设定 (“网络辅助” )
? NI bit,不得增加发送速率 (
轻微拥塞 )
? CI bit,拥塞指示
? RM信元由接收端返回给发送端,
所有数据位保持原样
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-24
案例研究, ATM ABR 拥塞控制
? 在 RM信元中有 2字节的 ER (explicit rate) 字段
? 处于拥塞的交换机可降低信元中的 ER 值
? 发送端的发送速率可以在路径上得到最低程度的支持
? 数据信元的 EFCI 位, 在拥塞的交换机中被设成 1
? 如果在 RM信元之前的数据信元的 EFCI置 1,发送端将在返回的
RM的 RM信元中将 CI置 1
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-25
TCP 拥塞控制
? 端到端的控制 (无需网络协助 )
? 传输速率限制由建立在数据段之上的拥塞窗口尺寸 Congwin决定,
? w=数据段数量,每个具有 MSS字节,在一个 RTT周期
内发送,
吞吐量 = w * MSSRTT Bytes/sec
Congwin
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-26
TCP 拥塞控制,
? 两个,阶段,
? slow start（慢启动）
? congestion avoidance（
拥塞避免）
? 重要变量,
? Congwin
? threshold,定义两个
慢启动之间，拥塞控制阶
段的门限值
?, 刺探” 可用带宽,
? 理想情况, 全速传输
(Congwin 越大越好 ) 没
有数据丢失
? 增加 Congwin 直到出现
数据丢失 (拥塞 )
? 数据丢失, 减小
Congwin,然后重新开始
进行刺探 (增加 Congwin)
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-27
TCP Slowstart（慢启动）
? 窗口尺寸按指数递增 (每隔
RTT) (不算太慢 !)
? 丢失事件, 超时 (Tahoe TCP)
和 /或三次重复 ACKs (Reno
TCP)
initialize,Congwin = 1
for (each segment ACKed)
Congwin++
until (loss event OR
CongWin > threshold)
Slowstart 算法
Host A
RTT
Host B
time
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-28
TCP 拥塞避免
/* slowstart is over */
/* Congwin > threshold */
Until (loss event) {
every w segments ACKed:
Congwin++
}
threshold = Congwin/2
Congwin = 1
perform slowstart
拥塞避免
1
1,在出现三次重复的 ACK后,TCP Reno 将跳过 slowstart (快速恢复 )
在此阶段,Congwin以线性方式增长，发生超时，门限值减半
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-29
TCP 拥塞避免策略,
? AIMD:
? additive increase（ 加
法形式增加）；
multiplicative decrease
（ 倍数形式减少）
? 每个 RTT将窗口尺寸
加 1
? 当发生数据丢失时用 2
除窗口尺寸
AIMD
教科书：
p244-245
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-30
TCP 公平性
公平性目标, 如果 N TCP 会
话共享瓶颈链路,每个应该
分得 1/N 链路传输能力
TCP connection 1
bottleneck
router
capacity R
TCP
connection 2
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-31
为什么说 TCP是公平的?
两个竞争性的会话,
? 当吞吐量增加时，加法的结果斜率为 1
? 而成倍递减则会等比减少连接的吞吐量
R
R
同等的带宽共享
连接 1 的吞吐量
congestion avoidance,additive increase
loss,decrease window by factor of 2
拥塞避免, 加法形式增加窗口尺寸
丢包, 以 2为除数减小窗口来进行
带宽的
充分使用
主讲人,西安交通大学 程向前 第 4讲 传输层之二 4-32
第 4讲, 小结
? 传输层服务原理,
? 复用 /分用
? 可靠数据传输
? 流量控制
? 拥塞控制
? 因特网传输层的实现和实例
? UDP
? TCP
下一步,
? 离开网络的“边缘”
(应用 / 传输层 )
? 进入网络的,核心
”
