網絡擁塞

網絡擁塞（congestion）是指在分組交換網絡中傳送分組的數目太多時，由於存儲轉發節點的資源有限而造成網絡傳輸性能下降的情況。當網絡發生擁塞時，一般會出現數據丟失，時延增加，吞吐量下降，嚴重時甚至會導致“擁塞崩潰”（congestion collapse）。通常情況下，當網絡中負載過度增加致使網絡性能下降時，就會發生網絡擁塞。可由圖 2.1 形象描述網絡擁塞現象發生的過程 ^[1]  。

因為在事先沒有任何協商和請求許可機制的資源共享網絡中，幾個IP分組同時到達路由器，並期望經同一個輸出端口轉發的可能性是存在的，顯然，不是所有分組可以同時接受處理，必須有一個服務順序，中間節點上的緩存為等候服務的分組提供一定保護。然而，如果此狀況具有一定的持續性，當緩存空間被耗盡時，路由器只有丟棄分組。在這種持續過載的狀態下，網絡性能會急劇下降。

在每個輸出端口有一定的存儲空間，若一個輸出端口被幾個輸入數據流共同使用，輸入流的數據包就會在該存儲空間內排隊等待輸出。當端口轉發數據的速率低於數據包的到達速率時，會造成存儲空間被佔滿的情形，後到達的數據包將被丟棄。突發數據流的此種現象更多。雖然從某種程度上來講，存儲空間的增加能夠緩解輸出端口的壓力。但是存儲空間無限制的增加，會導致數據包完成轉發時，它們早已超時，源端認為這些數據包在傳輸過程中被丟棄而要求重發，不僅降低網絡效率，而且使得網絡擁塞情況更加嚴重。另外在實際應用中，存儲容量不可能無限制的增加，不符合實際意義。

通過實踐證明低速鏈路難以應對高速數據流的輸入，從而發生網絡擁塞。依據香農理論，信源的發送速率必須小於或等於信道容量。因此，當源端帶寬遠大於鏈路帶寬形成帶寬瓶頸時，導致數據包在網絡節點排隊等待，造成網絡擁塞。

路由器中的 CPU 主要執行緩存區排隊、更新路由表、進行路由選擇等功能，如果其工作效率不能滿足高速鏈路的需求，就會造成網絡擁塞。

在實際應用中，複雜的網絡結構和不合理的路由原則也會造成網絡擁塞現象的發生 ^[1]  。

解決網絡擁塞的方法是擁塞控制（congestion control）。擁塞控制需要確保網絡能夠承載用户提交的通信量，是一個全局性問題，涉及主機、路由器等很多因素。衡量網絡是否擁塞的參數主要有：缺乏緩衝區造成的分組丟失率、平均隊列長度、超時重傳的分組數目、平均分組延遲及分組延遲變化等。根據控制論，擁塞控制方法分為兩類：第一類是開環控制，即通過設計一個好的算法來避免擁塞發生。在進行擁塞控制時，不考慮網絡的當前狀態。常用算法有：

1.源端擁塞控制算法

2.鏈路擁塞控制算法 ^[1] 

第二類是閉環控制，即給予反饋機制，根據網絡的當前狀態來控制擁塞。反饋方法有以下幾種：

1、向信息源發送一個告警數據報。

2、在數據包的結構中保留一個比特或一個域，用來表示發生擁塞。一旦發生擁塞，路由器對所有輸出數據報中的相應比特進行設置，以此來向鄰居告警。

3、主機或濾油器主動地、週期地發送探測數據報(probe)，查詢是否發生擁塞。

閉環擁塞控制的工作過程如下：

1、由監控系統來發現何時何地發生擁塞；

2、當發生擁塞時，將發生擁塞的消息傳給能採取動作的站點；

3、調整系統操作，解決擁塞問題。 ^[2]