計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制演講人：日期：2023REPORTING引言流量控制機(jī)制擁塞控制機(jī)制TCP中的流量控制和擁塞控制實(shí)現(xiàn)其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的流量控制和擁塞控制總結(jié)與展望目錄CATALOGUE2023PART01引言2023REPORTING由若干節(jié)點(diǎn)和連接這些節(jié)點(diǎn)的鏈路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類從ARPANET到Internet，經(jīng)歷了從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)、從有線到無線、從固定到移動(dòng)的發(fā)展歷程。按照覆蓋范圍可分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；按照傳輸介質(zhì)可分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)。030201計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述123防止發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)過快，接收方來不及處理而丟失數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。流量控制意義當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大時(shí)，通過一定的機(jī)制減少數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。擁塞控制意義流量控制是端到端的控制，而擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)全局性的控制，二者相互補(bǔ)充，共同維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。二者關(guān)系流量控制和擁塞控制的重要性闡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中流量控制和擁塞控制機(jī)制的原理、算法和實(shí)現(xiàn)方式，分析其在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化中的作用。涵蓋TCP/IP協(xié)議族中的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，重點(diǎn)討論TCP協(xié)議中的流量控制和擁塞控制機(jī)制，簡要介紹其他相關(guān)協(xié)議中的類似機(jī)制。報(bào)告目的和范圍報(bào)告范圍報(bào)告目的PART02流量控制機(jī)制2023REPORTING流量控制的目的防止發(fā)送方發(fā)送速率過快，接收方來不及處理，造成數(shù)據(jù)丟失或溢出。流量控制的原則發(fā)送方的發(fā)送速率不超過接收方的接收能力。流量控制的方法通過反饋機(jī)制調(diào)整發(fā)送速率，如滑動(dòng)窗口機(jī)制、停止-等待協(xié)議等。流量控制的基本概念030201滑動(dòng)窗口機(jī)制提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，減少了等待時(shí)間?；瑒?dòng)窗口的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送方和接收方分別維護(hù)一個(gè)窗口，窗口大小表示可以發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)量?；瑒?dòng)窗口的概念發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)位置；接收方每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀，也向前滑動(dòng)一個(gè)位置。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整窗口大小，實(shí)現(xiàn)流量控制?；瑒?dòng)窗口的工作原理停止-等待協(xié)議的工作原理通過確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)信息，就會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失并重新發(fā)送。停止-等待協(xié)議的缺點(diǎn)傳輸效率低，等待時(shí)間長。停止-等待協(xié)議的概念發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就停止發(fā)送并等待接收方的確認(rèn)；接收方每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就向發(fā)送方發(fā)送確認(rèn)信息。停止-等待協(xié)議GBN協(xié)議的概念發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，但如果某個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，接收方會(huì)丟棄后續(xù)所有數(shù)據(jù)幀并重新請求發(fā)送。GBN協(xié)議的工作原理通過累積確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。接收方每接收一個(gè)正確的數(shù)據(jù)幀就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)累積確認(rèn)信息；如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)信息，就會(huì)從出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀開始重新發(fā)送。GBN協(xié)議的缺點(diǎn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)連續(xù)錯(cuò)誤時(shí)，需要重新傳輸大量數(shù)據(jù)幀，造成資源浪費(fèi)。后退N幀協(xié)議（GBN）SR協(xié)議的概念與GBN協(xié)議類似，但SR協(xié)議只重新傳輸出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀，而不是丟棄后續(xù)所有數(shù)據(jù)幀。SR協(xié)議的工作原理通過選擇確認(rèn)和超時(shí)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。接收方每接收一個(gè)正確的數(shù)據(jù)幀就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)選擇確認(rèn)信息；如果某個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，接收方會(huì)單獨(dú)請求重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。SR協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)相比GBN協(xié)議更加高效，避免了不必要的資源浪費(fèi)。選擇性重傳協(xié)議（SR）PART03擁塞控制機(jī)制2023REPORTING當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的資源（如帶寬、緩沖區(qū)）不足以滿足所有用戶的需求時(shí)，就會(huì)發(fā)生擁塞。資源耗盡短時(shí)間內(nèi)大量的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸，超過了網(wǎng)絡(luò)的處理能力。流量突發(fā)不恰當(dāng)?shù)穆酚蛇x擇可能導(dǎo)致某些路徑上的流量過載。路由問題擁塞現(xiàn)象及其原因開環(huán)控制在數(shù)據(jù)傳輸前，通過某種機(jī)制來預(yù)防擁塞的發(fā)生，如準(zhǔn)入控制?；旌峡刂平Y(jié)合開環(huán)和閉環(huán)控制，既預(yù)防又動(dòng)態(tài)調(diào)整。閉環(huán)控制基于反饋機(jī)制，動(dòng)態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率以緩解或避免擁塞。擁塞控制策略分類慢開始和擁塞避免算法通過逐漸增加發(fā)送速率，探測網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，同時(shí)避免突發(fā)大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致的擁塞。算法目的初始時(shí)，發(fā)送方以較慢的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，然后逐漸加快，直到達(dá)到一個(gè)閾值或收到擁塞信號。慢開始（SlowStart）在慢開始階段后，發(fā)送方嘗試以線性方式增加發(fā)送速率，以避免過度占用網(wǎng)絡(luò)資源。擁塞避免（CongestionAvoidance）010203快重傳（FastRetransmit）當(dāng)接收方收到一個(gè)失序的數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)立即發(fā)送多個(gè)重復(fù)的確認(rèn)信號，促使發(fā)送方快速重傳丟失的數(shù)據(jù)包?？旎謴?fù)（FastRecovery）在快重傳后，發(fā)送方不直接回到慢開始階段，而是進(jìn)入一個(gè)快速恢復(fù)階段，以較快的速率重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)。算法目的通過快速響應(yīng)丟失的數(shù)據(jù)包和快速恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，減少因數(shù)據(jù)包丟失而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能下降。快重傳和快恢復(fù)算法PART04TCP中的流量控制和擁塞控制實(shí)現(xiàn)2023REPORTING最大報(bào)文段長度（MSS）TCP連接雙方會(huì)協(xié)商MSS，即TCP報(bào)文段中數(shù)據(jù)部分的最大長度，以避免IP層分片。接收窗口大小接收方會(huì)通告自己的接收窗口大小，發(fā)送方根據(jù)接收窗口大小調(diào)整發(fā)送速率。初始窗口大小TCP連接建立時(shí)，雙方會(huì)協(xié)商初始窗口大小，用于控制數(shù)據(jù)發(fā)送的速率。TCP連接建立過程中的參數(shù)協(xié)商TCP采用滑動(dòng)窗口機(jī)制，發(fā)送方維護(hù)一個(gè)發(fā)送窗口，接收方維護(hù)一個(gè)接收窗口，通過窗口的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送和接收?；瑒?dòng)窗口接收方收到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，告知發(fā)送方已成功接收的數(shù)據(jù)范圍。發(fā)送方根據(jù)確認(rèn)報(bào)文調(diào)整發(fā)送窗口的位置。確認(rèn)機(jī)制如果發(fā)送方在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)報(bào)文，會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)擁塞，會(huì)啟動(dòng)超時(shí)重傳機(jī)制，重新發(fā)送數(shù)據(jù)。超時(shí)重傳TCP滑動(dòng)窗口與確認(rèn)機(jī)制接收窗口動(dòng)態(tài)調(diào)整接收方根據(jù)自己的緩沖區(qū)大小和處理能力動(dòng)態(tài)調(diào)整接收窗口大小，并通過確認(rèn)報(bào)文通告給發(fā)送方。發(fā)送速率控制發(fā)送方根據(jù)接收窗口大小和往返時(shí)間（RTT）等信息計(jì)算合適的發(fā)送速率，避免發(fā)送過快導(dǎo)致接收方緩沖區(qū)溢出。持續(xù)計(jì)時(shí)器當(dāng)發(fā)送窗口內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都已發(fā)送但尚未收到確認(rèn)時(shí)，發(fā)送方會(huì)啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器，定期向接收方發(fā)送探測報(bào)文以獲取最新的接收窗口信息。TCP中的流量控制實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)TCP中的擁塞控制實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)擁塞避免當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，TCP會(huì)采用擁塞避免算法，通過減小發(fā)送窗口大小來降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率。慢啟動(dòng)TCP連接建立初期采用慢啟動(dòng)算法，逐步增加發(fā)送窗口大小以探測網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲?？焖僦貍骱涂焖倩謴?fù)當(dāng)接收方收到亂序報(bào)文時(shí)會(huì)發(fā)送重復(fù)確認(rèn)報(bào)文，如果發(fā)送方連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)報(bào)文則會(huì)立即重傳丟失的報(bào)文并啟動(dòng)快速恢復(fù)算法，快速恢復(fù)到正常的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。PART05其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的流量控制和擁塞控制2023REPORTING無連接服務(wù)應(yīng)用程序負(fù)責(zé)速率限制UDP中的流量控制和擁塞控制策略UDP是一種無連接協(xié)議，不維護(hù)連接狀態(tài)，因此沒有內(nèi)置的流量控制和擁塞控制機(jī)制。在UDP中，流量控制和擁塞控制的任務(wù)通常由應(yīng)用程序自行處理。應(yīng)用程序可以使用自定義算法來管理數(shù)據(jù)發(fā)送速率和避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。應(yīng)用程序可以通過限制發(fā)送數(shù)據(jù)的速率來實(shí)施流量控制，以防止過多的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。ICMP中的流量控制和擁塞控制功能ICMP（InternetControlMessageProtocol）主要用于網(wǎng)絡(luò)診斷和錯(cuò)誤報(bào)告，而不是直接的流量控制和擁塞控制。路由器通告ICMP路由器通告消息可以包含有關(guān)網(wǎng)絡(luò)路徑和擁塞的信息，幫助主機(jī)進(jìn)行路由選擇和擁塞避免。目的地不可達(dá)消息當(dāng)路由器或主機(jī)遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以使用ICMP目的地不可達(dá)消息通知發(fā)送方，以便發(fā)送方采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如重傳或降低發(fā)送速率。網(wǎng)絡(luò)診斷和報(bào)告多播組成員資格管理IGMP（InternetGroupManagementProtocol）主要用于IPv4網(wǎng)絡(luò)中的多播組成員資格管理，而不是直接的流量控制和擁塞控制。雖然IGMP本身不提供直接的流量控制機(jī)制，但它可以與多播路由協(xié)議（如PIM）結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)多播流量的有效管理和控制。在多播環(huán)境中，可以通過使用特定的多播擁塞控制算法來管理多播流量的速率和傳輸，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。多播流量控制多播擁塞控制IGMP中的流量控制和擁塞控制應(yīng)用PART06總結(jié)與展望2023REPORTING當(dāng)前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。其中，TCP/IP協(xié)議棧中的傳輸控制協(xié)議（TCP）是最具代表性的流量控制和擁塞控制機(jī)制之一。此外，還有一些其他的控制機(jī)制，如基于速率的控制、基于窗口的控制和基于負(fù)載的控制等。研究現(xiàn)狀盡管現(xiàn)有的流量控制和擁塞控制機(jī)制在一定程度上能夠有效地控制網(wǎng)絡(luò)中的流量和擁塞，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，在高速網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的基于窗口的流量控制機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致帶寬利用率不足；在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于信道的不穩(wěn)定性和時(shí)變性，如何實(shí)現(xiàn)有效的流量控制和擁塞控制也是一個(gè)難題。面臨的挑戰(zhàn)當(dāng)前研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)智能化利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流量控制和擁塞控制的自適應(yīng)和智能化。多路徑傳輸通過多路徑傳輸技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率和傳輸效率。發(fā)展趨勢未來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和擁塞控制機(jī)制也將呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢未來發(fā)展趨勢及創(chuàng)新點(diǎn)探討03新的控制算法研究新的流量控制和擁塞控制算法，以適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等不同場景的需求。01跨層設(shè)計(jì)將流量控制和擁塞控制與網(wǎng)絡(luò)的其他層次（如物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等）進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效的網(wǎng)絡(luò)性能。02