本文深入探讨了网络拥塞控制的概念及其实现方法，包括拥塞的成因与代价、拥塞控制与流量控制的区别，以及端到端拥塞控制和网络辅助拥塞控制的具体实施策略。特别针对TCP拥塞控制进行了详细解析，介绍了其基本原理、慢启动策略、加性增-乘性减机制等。
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目录
p53-p57
拥塞控制
拥塞（Congestion）
非正式定义：
太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，以至于网络无法处理
表现：
分组丢失（路由器缓存溢出）
分组延迟过大（在路由器缓存中排队）
拥塞控制VS流量控制
可靠数据传输根据端到端符合个体利益，拥塞控制像是一个社会问题
流量控制是不要让接收方溢出，而拥塞控制是不要让网络溢出
A top-10 problem
用色的成因和代价
场景1：分组时延太大
路由器向C、D主机总带宽未C
由于路由器有无限的缓存，不存在丢包，所以没有重传机制
左边的图表示吞吐率
因为共享带宽，输出最大带宽为C/2
右边的图表示时延
输入接近C/2时时延接近无限
因为一直在排队，形成排队的速度大于处理的速度，越后面的分组等的时间越久
场景2：吞吐率降低
一个路由器有有限的buffer
Sender重传分组
因为重传造成了资源的浪费
定时器与丢失叠加造成了更多的重传
场景3
多跳产生了多个主机传输间的竞争
Q为什么拥塞控制在传输层做
A应该是单个应用不知道其他应用是否也在发数据，所以就不能控制自己的发送速率。而多个应用的数据是汇总到传输层，所以传输层才知道数据是否太多
拥塞控制的方法
端到端拥塞控制
网络层不需要显式地提供支持
端系统通过观察loss，delay等网络行为判断是否发生拥塞
TCP采取这种方法
网络辅助的拥塞控制
路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息（端系统利用信息来调节）
简单的拥塞指示（1bit）：SNA，DECbit，TCP/IP ECN，ATM
指示发送方应该采取何种速率
ATM ABR拥塞控制
ABR：available bit rate
弹性服务
如果发送方路径“underloaded”负载低：使用可用带宽
如果发送方路径拥塞：将发送方速率降到最低保障速率
RM（resource management ）cells
穿插在data cells中间
发送方发送
交换机设置RM cell位（网络辅助）
NI bit：rate不许增长
CI bit：拥塞指示
RM cell由接收方返回给发送方（得到了路径上所有的交换机RM cell，并返回给发送方）
在RM cell中有显式地速率（ER）字段：两个字节
拥塞的交换机可以将ER置为更低的值
发送方获知路径所能支持的最小速率
数据cell中的EFCI位：拥塞的交换机将其设为1
如果RMcell前面的data cell的EFCI位被设为1，那么发送方在返回RM cell中置CI位
TCP拥塞控制
TCP拥塞控制的基本原理
Sender限制发送速率
设置一个变量叫拥塞窗口CongWin
CongWin：
动态调整以改变发送速率
反应所感知到的网络拥塞
Q如何感知网络拥塞？
A
Loss事件=timeout或3个重复的ACK
发生loss事件后，发送方降低速率
Q如何合理的调整发送速率
A
加性增-乘性减：AIMD 拥塞避免机制
慢启动：SS
加性增-乘性减：AIMD
原理：逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，知道发生loss
方法：AIMD
Additive Increase：每个RTT将CongWin增大一个MSS-----拥塞避免
Multiplicative Decrease：发生loss后将CongWin减半
慢启动：SS
TCP建立时，CongWin=1
eg：MSS=500 byte，RTT=200ms
初始速率=20kbps
可用带宽可能远远高于初始速率
希望快速增长
原理：
当连接开始时，指数型增长
每个RTT将CongWin翻倍
收到每个ACK进行操作
初始速率很慢，但是快速攀升
Q何时应该指数性增长切换线性增长（拥塞避免）？
当CongWin达到Loss事件前值的1/2时
实现方法：
变量Threshold
Loss事件发生时，Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2
蓝色为TCP早期版本：重新进入慢启动
黑色为后来版本：慢启动后，执行加性增-乘性减
Loss事件的处理
3个重复的ACKs：
CongWin切到一半
然后线性增长
Timeout事件：
CongWin直接设为1个MSS
然后指数增长
到达threshold后，再线性增长
Q为什么两个处理不同
3个重复ACKs表示网络还能够传输一些segments
timeout事件表明拥塞更为严重
总结
当CongWin低于Threshold，发送方处于慢启动阶段，CongWin指数增长
当CongWin大于Threshold，发送方处于拥塞避免阶段，CongWin线性增长
当收到3个重复ACKs时，Threshold减为原来CongWin的一半，CongWin=Threshold
当timeout时，Threshold减为原来CongWin的一半，CongWin=1
TCP拥塞控制算法
rate≈CongWin/RTT，流水线机制一个RTT可能收到多个ACK，对于每个ACKCongWin+1，速率就成倍增长了
例题
TCP性能分析
TCP吞吐率
例子
Q：TCP在未来是否还适用
TCP连接丢包率极低，对链路的设计要求极高
TCP的设计有些参数不满足当今某些硬件需求了
高速网络下需要设计新的TCP
TCP的公平性
TCP是公平的
细线：最终TCP吞吐率相等
粗线：限制了整个带宽的瓶颈带宽R
公平性与UDP（TCP吃亏）
多媒体应用通常不使用TCP，以免被拥塞控制机制限制速率
使用UDP：以恒定速率发送，能够容忍丢失
产生了不公平
研究：对TCP有好的UDP
公平性与并发性TCP连接
某些应用会打开多个并发连接
Web浏览器
产生公平性问题
例子：链路速率为R，已有9个连接
新来的应用请求1个TCP，获得R/10的速率
新来的应用请求11个TCP，获得R/2的速率
传输层总结
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