TCP/IP網(wǎng)絡(luò)擁塞概述

當(dāng)前的TCP 實現(xiàn)將TCP 端節(jié)點之間的中間網(wǎng)絡(luò)視為一個不透明的“黑盒”。TCP 包進入和流出這個盒子。有些時候進入盒子的包被丟失了。因為今天的數(shù)字和光媒體上出現(xiàn)比特級錯誤的機會非常少，TCP 的設(shè)計者們就假設(shè)包的丟失很大程度上是因為路由器的擁塞，也即是路由器用來容納進入包的緩沖已經(jīng)被填滿了，這樣路由器會靜默地丟棄接下來進入的包。

盡管TCP可以檢測到TCP包的丟失并且進行重傳，但是從TCP處理過程，重傳過程和吞吐率下降這些方面看，這個重傳過程將會耗費很大。

當(dāng)一個發(fā)送的TCP端節(jié)點檢測倒一個包丟失時，可以進行快速重傳或者包的重傳計時器超時而重傳。然后該TCP端節(jié)點減小發(fā)送窗口(在等待響應(yīng)之前可以發(fā)送的包數(shù)量)，進行慢啟動和擁塞避免算法(RFC 2001)。這會立刻降低發(fā)送端的發(fā)送速率，以便路由器來減輕擁塞。發(fā)送端會逐漸將發(fā)送窗口恢復(fù)倒擁塞發(fā)生前的大小。

盡管因為路由器擁塞而產(chǎn)生的包丟失是偶然發(fā)生的事件，它們并不會負面地影響塊數(shù)據(jù)傳輸，只是會增加一些重傳數(shù)據(jù)包和恢復(fù)發(fā)送速率的時間。慢啟動和擁塞避免算法對于時間敏感的，成塊數(shù)據(jù)流的控制效果非常好。然而，TCP處理丟包的方法對于交互式的，丟失敏感和時間敏感的流量來說效果不是很好。

另外一個關(guān)于路由器擁塞的問題是擁塞對于多個數(shù)據(jù)流的影響。當(dāng)路由器開始丟棄進入的數(shù)據(jù)包時，它一般并不區(qū)分數(shù)據(jù)流的不同。當(dāng)多個TCP數(shù)據(jù)流都產(chǎn)生包丟失時，所有的數(shù)據(jù)流都要減少自身的發(fā)送速率。根據(jù)路由器擁塞減輕的程度，多個TCP數(shù)據(jù)流將會逐漸恢復(fù)自身的發(fā)送速率。這會降低路由器及相關(guān)鏈路的使用率，直到所有的TCP數(shù)據(jù)流恢復(fù)到以擁塞之前的速率進行發(fā)送。路由器從擁塞狀態(tài)又進入到了低使用狀態(tài)。

這種擁塞后因為重傳和低鏈路使用而帶來的吞吐量問題，是僅僅通過發(fā)送端來管理擁塞的結(jié)果。為了避免因為路由器擁塞而帶來的丟包而產(chǎn)生的一系列問題，TCP/IP的設(shè)計者們創(chuàng)建了一些用于主機和路由器的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)描述了在IP路由器上進行的主動隊列管理算法(AQM)(RFC 2309)，使得路由器能夠監(jiān)控轉(zhuǎn)發(fā)隊列的狀態(tài)，以提供一個路由器向發(fā)送端報告發(fā)生擁塞的機制，讓發(fā)送端在路由器開始丟包前降低發(fā)送速率。這種路由器報告和主機響應(yīng)機制被稱為顯式擁塞通告(ECN)(RFC 3168)。

當(dāng)擁塞發(fā)生時，發(fā)送主機必須仍然在降低它們的發(fā)送速率。然而，通過避免包的丟失，發(fā)送主機無需進入重傳過程，丟失敏感的數(shù)據(jù)包流也不會因為擁塞而受到很大影響。

顯式擁塞通告

IP和TCP使用包頭中的未使用字段來支持ECN。在網(wǎng)絡(luò)層(IP)，一個發(fā)送主機必須能夠表明自身可以進行ECN，路由器在轉(zhuǎn)發(fā)時必須能夠表明它正在經(jīng)歷擁塞。

在傳輸層(TCP)，TCP端必須對對方表明自身是可以進行ECN操作的。接收端必須能夠通知發(fā)送端它收到了一個來自路由器的擁塞通告。發(fā)送端必須能夠通知接收端它受到了來自接收端的通告并且已經(jīng)降低了發(fā)送速率。

IP包頭中的8位的服務(wù)類型域(TOS)原先在RFC791中被定義為表明包的發(fā)送優(yōu)先級，時延，吞吐量，可靠性和消耗等特征。在RFC2474中被重新定義為包含一個6位的區(qū)分服務(wù)碼點(DSCP)和兩個未用的位。DSCP值表明一個在路由器上配置的和隊列相關(guān)聯(lián)的發(fā)送優(yōu)先級。IP對ECN的支持使用到了TOS域中剩下的這兩位。如圖1所示。

在RFC2474中TOS域未使用的兩位在RFC3168中被定義為ECN域，包含如下值：

00：發(fā)送主機不支持ECN

01或者10：發(fā)送主機支持ECN

11：路由器正在經(jīng)歷擁塞

一個支持ECN的主機發(fā)送數(shù)據(jù)包時將ECN設(shè)置為01或者10。對于支持ECN的主機發(fā)送的包，如果路徑上的路由器支持ECN并且經(jīng)歷擁塞，它將ECN域設(shè)置為11。如果該數(shù)值已經(jīng)被設(shè)置為11，那么下游路徑上的路由器不會修改該值。

ECN在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中如何顯示，您通過本文應(yīng)該已經(jīng)有所了解。文章講的原理性的內(nèi)容比較多，但描述的比較詳細，希望您能掌握。