第10章拥塞控制 10.1拥塞和拥塞控制概述 10.1.1拥塞现象的发生 1968年,生物学教授加勒特哈丁( Garrett hardin)在《科学》杂志上发表了一篇 文章《共同的悲剧》( The Tragedy of the Commons),可以说是迄今为止描述“资源两难” 问题的最有影响力的文章。文章中哈丁认为现代人过度使用资源的后果将是面临类似于 使用同一牧场的牧人所面临的悲剧:在公用牧场中放牧的牧人会尽可能多饲养牲口以使 自己的利益最大化,而这种行为导致的长期后果是牲口的总数超出了牧场所能容纳的极 限,草资源很快枯竭,进而所有的牲口也将因为没有足够的食物而面临饿死的境地。 这一思想也可以用来阐述发生网络拥塞的原因:在网络环境中,资源被所有用户所 共享;用户都尽可能多地使用共享资源来最大化自身的利益,而不考虑共享资源的整体 状况以及其它用户的使用情况,导致网络全局的负载不断增加直至发生网络拥塞。 目前互联网广泛使用的TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输 层通信协议,最早是由 Vint cerf和 Robert Kahn在1973年提出的,当时的互联网还没 有用作商业用途。1986年10月,美国 ARPANET网络第一次发生拥塞崩溃( Congestion Collapse),导致从美国的劳伦斯伯克利国家实验室(LBL)到加州大学伯克利分校(UC Berkeley)之间的数据吞吐量降低了3个数量级,从32Kb/s急剧跌落到40bs。这是因 为,在最初的TCP协议中,只有流量控制机制( Flow Contro)而没有拥塞控制机制, 接收端可以使用TCP报头的窗口值将自己的接收能力通知发送端。由于这样的控制机 制只考虑接收端的接收能力,而没有考虑网络的承受能力,不可避免地导致了网络崩溃 现象的发生。在随后的时间里,网络拥塞崩溃的情况时常发生,直到1987~1988年间, ARPANET的主机逐渐实现了由 Van jacobson设计的拥塞控制机制后,网络拥塞崩溃的 状况才得到好转。在那之后,拥塞控制引起了更多研究者的关注,也逐渐成为互联网的 个研究热点。 网络中的拥塞源于网络资源(如链路、路由器和交换机等)和网络流量分布的不均 衡性。拥塞不会随着网络资源的增加和网络处理能力的提高而自动消除。而拥塞控制算 法的分布性、网络的复杂性和对拥塞控制算法的性能要求又使拥塞控制算法的设计具有 很高的难度。虽然在拥塞控制领域巳经开展了大量的研究工作,但是拥塞问题仍然没有351 第 10 章 拥塞控制 10.1 拥塞和拥塞控制概述 10.1.1 拥塞现象的发生 1968 年，生物学教授加勒特.哈丁（Garrett Hardin）在《科学》杂志上发表了一篇 文章《共同的悲剧》（The Tragedy of the Commons），可以说是迄今为止描述“资源两难” 问题的最有影响力的文章。文章中哈丁认为现代人过度使用资源的后果将是面临类似于 使用同一牧场的牧人所面临的悲剧：在公用牧场中放牧的牧人会尽可能多饲养牲口以使 自己的利益最大化，而这种行为导致的长期后果是牲口的总数超出了牧场所能容纳的极 限，草资源很快枯竭，进而所有的牲口也将因为没有足够的食物而面临饿死的境地。 这一思想也可以用来阐述发生网络拥塞的原因：在网络环境中，资源被所有用户所 共享；用户都尽可能多地使用共享资源来最大化自身的利益，而不考虑共享资源的整体 状况以及其它用户的使用情况，导致网络全局的负载不断增加直至发生网络拥塞。 目前互联网广泛使用的 TCP 协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输 层通信协议，最早是由 Vint Cerf 和 Robert Kahn 在 1973 年提出的，当时的互联网还没 有用作商业用途。1986 年 10 月，美国 ARPANET 网络第一次发生拥塞崩溃（Congestion Collapse），导致从美国的劳伦斯伯克利国家实验室（LBL）到加州大学伯克利分校（UC Berkeley）之间的数据吞吐量降低了 3 个数量级，从 32Kb/s 急剧跌落到 40b/s。这是因 为，在最初的 TCP 协议中，只有流量控制机制（Flow Control）而没有拥塞控制机制， 接收端可以使用 TCP 报头的窗口值将自己的接收能力通知发送端。由于这样的控制机 制只考虑接收端的接收能力，而没有考虑网络的承受能力，不可避免地导致了网络崩溃 现象的发生。在随后的时间里，网络拥塞崩溃的情况时常发生，直到 1987～1988 年间， ARPANET 的主机逐渐实现了由 Van Jacobson 设计的拥塞控制机制后，网络拥塞崩溃的 状况才得到好转。在那之后，拥塞控制引起了更多研究者的关注，也逐渐成为互联网的 一个研究热点。 网络中的拥塞源于网络资源（如链路、路由器和交换机等）和网络流量分布的不均 衡性。拥塞不会随着网络资源的增加和网络处理能力的提高而自动消除。而拥塞控制算 法的分布性、网络的复杂性和对拥塞控制算法的性能要求又使拥塞控制算法的设计具有 很高的难度。虽然在拥塞控制领域已经开展了大量的研究工作，但是拥塞问题仍然没有