计算机网络中的流量控制和拥塞控制机制

计算机网络中的流量控制和拥塞控制机制演讲人：日期：2023REPORTING引言流量控制机制拥塞控制机制TCP中的流量控制和拥塞控制实现其他网络层协议中的流量控制和拥塞控制总结与展望目录CATALOGUE2023PART01引言2023REPORTING由若干节点和连接这些节点的链路构成，实现资源共享和信息传递的系统。计算机网络定义计算机网络发展计算机网络分类从ARPANET到Internet，经历了从局域网到广域网、从有线到无线、从固定到移动的发展历程。按照覆盖范围可分为局域网、城域网和广域网；按照传输介质可分为有线网和无线网。030201计算机网络概述123防止发送方发送数据过快，接收方来不及处理而丢失数据，确保数据传输的可靠性。流量控制意义当网络负载过大时，通过一定的机制减少数据的发送速率，避免网络瘫痪，保证网络的稳定性。拥塞控制意义流量控制是端到端的控制，而拥塞控制是网络全局性的控制，二者相互补充，共同维护网络的正常运行。二者关系流量控制和拥塞控制的重要性阐述计算机网络中流量控制和拥塞控制机制的原理、算法和实现方式，分析其在网络性能优化中的作用。涵盖TCP/IP协议族中的传输层和网络层，重点讨论TCP协议中的流量控制和拥塞控制机制，简要介绍其他相关协议中的类似机制。报告目的和范围报告范围报告目的PART02流量控制机制2023REPORTING流量控制的目的防止发送方发送速率过快，接收方来不及处理，造成数据丢失或溢出。流量控制的原则发送方的发送速率不超过接收方的接收能力。流量控制的方法通过反馈机制调整发送速率，如滑动窗口机制、停止-等待协议等。流量控制的基本概念030201滑动窗口机制提高了数据传输效率，减少了等待时间。滑动窗口的优点在数据传输过程中，发送方和接收方分别维护一个窗口，窗口大小表示可以发送或接收的数据量。滑动窗口的概念发送方每发送一个数据帧，窗口就向前滑动一个位置；接收方每接收一个数据帧，也向前滑动一个位置。通过动态调整窗口大小，实现流量控制。滑动窗口的工作原理停止-等待协议的工作原理通过确认和超时重传机制保证数据可靠传输。如果发送方在一段时间内未收到确认信息，就会认为数据丢失并重新发送。停止-等待协议的缺点传输效率低，等待时间长。停止-等待协议的概念发送方每发送一个数据帧后，就停止发送并等待接收方的确认；接收方每接收一个数据帧后，就向发送方发送确认信息。停止-等待协议GBN协议的概念发送方可以连续发送多个数据帧，但如果某个数据帧出错，接收方会丢弃后续所有数据帧并重新请求发送。GBN协议的工作原理通过累积确认和超时重传机制保证数据可靠传输。接收方每接收一个正确的数据帧就向发送方发送一个累积确认信息；如果发送方在一段时间内未收到确认信息，就会从出错的数据帧开始重新发送。GBN协议的缺点当网络中出现连续错误时，需要重新传输大量数据帧，造成资源浪费。后退N帧协议（GBN）SR协议的概念与GBN协议类似，但SR协议只重新传输出错的数据帧，而不是丢弃后续所有数据帧。SR协议的工作原理通过选择确认和超时重传机制保证数据可靠传输。接收方每接收一个正确的数据帧就向发送方发送一个选择确认信息；如果某个数据帧出错，接收方会单独请求重新发送该数据帧。SR协议的优点相比GBN协议更加高效，避免了不必要的资源浪费。选择性重传协议（SR）PART03拥塞控制机制2023REPORTING当网络中的资源（如带宽、缓冲区）不足以满足所有用户的需求时，就会发生拥塞。资源耗尽短时间内大量的数据突发传输，超过了网络的处理能力。流量突发不恰当的路由选择可能导致某些路径上的流量过载。路由问题拥塞现象及其原因开环控制在数据传输前，通过某种机制来预防拥塞的发生，如准入控制。混合控制结合开环和闭环控制，既预防又动态调整。闭环控制基于反馈机制，动态地调整数据传输速率以缓解或避免拥塞。拥塞控制策略分类慢开始和拥塞避免算法通过逐渐增加发送速率，探测网络的可用带宽，同时避免突发大量数据导致的拥塞。算法目的初始时，发送方以较慢的速率发送数据，然后逐渐加快，直到达到一个阈值或收到拥塞信号。慢开始（SlowStart）在慢开始阶段后，发送方尝试以线性方式增加发送速率，以避免过度占用网络资源。拥塞避免（CongestionAvoidance）010203快重传（FastRetransmit）当接收方收到一个失序的数据包时，它会立即发送多个重复的确认信号，促使发送方快速重传丢失的数据包。快恢复（FastRecovery）在快重传后，发送方不直接回到慢开始阶段，而是进入一个快速恢复阶段，以较快的速率重新传输丢失的数据。算法目的通过快速响应丢失的数据包和快速恢复数据传输，减少因数据包丢失而导致的网络性能下降。快重传和快恢复算法PART04TCP中的流量控制和拥塞控制实现2023REPORTING最大报文段长度（MSS）TCP连接双方会协商MSS，即TCP报文段中数据部分的最大长度，以避免IP层分片。接收窗口大小接收方会通告自己的接收窗口大小，发送方根据接收窗口大小调整发送速率。初始窗口大小TCP连接建立时，双方会协商初始窗口大小，用于控制数据发送的速率。TCP连接建立过程中的参数协商TCP采用滑动窗口机制，发送方维护一个发送窗口，接收方维护一个接收窗口，通过窗口的滑动实现数据的连续发送和接收。滑动窗口接收方收到数据后会发送确认报文，告知发送方已成功接收的数据范围。发送方根据确认报文调整发送窗口的位置。确认机制如果发送方在一段时间内未收到确认报文，会认为数据丢失或网络拥塞，会启动超时重传机制，重新发送数据。超时重传TCP滑动窗口与确认机制接收窗口动态调整接收方根据自己的缓冲区大小和处理能力动态调整接收窗口大小，并通过确认报文通告给发送方。发送速率控制发送方根据接收窗口大小和往返时间（RTT）等信息计算合适的发送速率，避免发送过快导致接收方缓冲区溢出。持续计时器当发送窗口内的所有数据都已发送但尚未收到确认时，发送方会启动持续计时器，定期向接收方发送探测报文以获取最新的接收窗口信息。TCP中的流量控制实现细节TCP中的拥塞控制实现细节拥塞避免当网络出现拥塞时，TCP会采用拥塞避免算法，通过减小发送窗口大小来降低数据发送速率。慢启动TCP连接建立初期采用慢启动算法，逐步增加发送窗口大小以探测网络带宽和延迟。快速重传和快速恢复当接收方收到乱序报文时会发送重复确认报文，如果发送方连续收到三个重复确认报文则会立即重传丢失的报文并启动快速恢复算法，快速恢复到正常的数据传输状态。PART05其他网络层协议中的流量控制和拥塞控制2023REPORTING无连接服务应用程序负责速率限制UDP中的流量控制和拥塞控制策略UDP是一种无连接协议，不维护连接状态，因此没有内置的流量控制和拥塞控制机制。在UDP中，流量控制和拥塞控制的任务通常由应用程序自行处理。应用程序可以使用自定义算法来管理数据发送速率和避免网络拥塞。应用程序可以通过限制发送数据的速率来实施流量控制，以防止过多的数据同时传输并导致网络拥塞。ICMP中的流量控制和拥塞控制功能ICMP（InternetControlMessageProtocol）主要用于网络诊断和错误报告，而不是直接的流量控制和拥塞控制。路由器通告ICMP路由器通告消息可以包含有关网络路径和拥塞的信息，帮助主机进行路由选择和拥塞避免。目的地不可达消息当路由器或主机遇到网络拥塞时，可以使用ICMP目的地不可达消息通知发送方，以便发送方采取适当的措施，如重传或降低发送速率。网络诊断和报告多播组成员资格管理IGMP（InternetGroupManagementProtocol）主要用于IPv4网络中的多播组成员资格管理，而不是直接的流量控制和拥塞控制。虽然IGMP本身不提供直接的流量控制机制，但它可以与多播路由协议（如PIM）结合使用，以实现多播流量的有效管理和控制。在多播环境中，可以通过使用特定的多播拥塞控制算法来管理多播流量的速率和传输，以避免网络拥塞并确保数据的可靠传输。多播流量控制多播拥塞控制IGMP中的流量控制和拥塞控制应用PART06总结与展望2023REPORTING当前，计算机网络中的流量控制和拥塞控制机制已经得到了广泛的研究和应用。其中，TCP/IP协议栈中的传输控制协议（TCP）是最具代表性的流量控制和拥塞控制机制之一。此外，还有一些其他的控制机制，如基于速率的控制、基于窗口的控制和基于负载的控制等。研究现状尽管现有的流量控制和拥塞控制机制在一定程度上能够有效地控制网络中的流量和拥塞，但仍然面临着一些挑战。例如，在高速网络中，传统的基于窗口的流量控制机制可能会导致带宽利用率不足；在无线网络中，由于信道的不稳定性和时变性，如何实现有效的流量控制和拥塞控制也是一个难题。面临的挑战当前研究现状与挑战智能化利用人工智能、机器学习等技术，实现流量控制和拥塞控制的自适应和智能化。多路径传输通过多路径传输技术，提高网络的带宽利用率和传输效率。发展趋势未来，随着网络技术的不断发展和应用场景的不断扩展，计算机网络中的流量控制和拥塞控制机制也将呈现出以下发展趋势未来发展趋势及创新点探讨03新的控制算法研究新的流量控制和拥塞控制算法，以适应高速网络、无线网络等不同场景的需求。01跨层设计将流量控制和拥塞控制与网络的其他层次（如物理层、数据链路层等）进行跨层设计，实现更高效的网络性能。02