（二十六）运输层--TCP的拥塞控制的一般原理
TCP的拥塞控制的一般原理
在计算机网络中的链路容量（带宽）、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏，这种情况就叫做拥塞。若网络中有许多资源同时呈现供应不足，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量随输入负荷的增大而下降。
有人可能会说：只要任意增加一些资源，例如，把结点缓存的存储空间扩大，或把链路更换为更高速率的链路，或把结点处理机的运算速度提高，就可以解决网络拥塞的问题。其实不然，网络拥塞往往是由许多因素引起的。例如，当某个结点缓存的容量太小时，到达该结点的分组因无存储空间暂存而不得已被丢弃。现在将该结点的缓存容量扩展到非常大，于是凡到达该结点的分组均可在结点的缓存队列中排队，不受任何限制。由于输出链路的容量和处理机的速度并未提高，因此队列中的绝大多数分组的排队等待时间将会大大增加，结果上层软件只好把它们进行重传（因为超时了）。由此可见，简单的扩大缓存的存储空间同样会造成网络资源的严重浪费，因而解决不了网络拥塞的问题。
又如，处理机处理的速率太慢可能引起网络的拥塞。此时简单的将处理机的速率提高，可能会缓解这一情况，但往往又会将瓶颈转移到其它地方。问题的本质是整个系统的各个部分不匹配，只有所有的部分都平衡了，问题才会得到解决。
拥塞常常趋于恶化。如果一个路由器没有足够的缓存空间，它就会丢弃一些新到的分组。但当分组被丢弃时，发送这一分组的源点就会重传这一分组，甚至可能还要重传多次。这样会引起更多的分组流入网络和被网络中的路由器丢弃。可见拥塞引起的重传并不会缓解网络的拥塞，反而会加剧网络的拥塞。
拥塞控制与流量控制的关系密切，它们之间也存在着一些差别。所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。TCP连接的端点只要迟迟不能收到对方的确认信息，就猜想在当前网络中的某处很可能发生了拥塞，但这时却无法知道拥塞到底发生在网络的何处，也无法知道发生拥塞的具体原因（某个服务器通信量过大？某个地区出现灾害？）。流量控制往往是指点对点通信量的控制，是个端到端的问题（接收端控制发送端）。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
举两个例子说明这种区别。假设某个网络的链路传输速率为1000Gbit/s，有一台计算机向一台个人电脑以1Gbit/s的速率传送文件。显然，网络本身的带宽是足够大的，因而不存在产生拥塞的问题。但流量控制却是必须的，因为计算机必须经常停下来，以便个人电脑来得及接收。再假设有另一个网络，其链路传输速率为1Mbit/s，有1000台计算机连接在这个网络上。假定其中的500台计算机分别向其余的500台计算机以100Kbit/s的速率发送文件。那么现在的问题就不是接收端的计算机能否来得及接收，而是整个网络的输入负载是否超过网络所能承受的。
进行拥塞控制需要付出代价。首先需要获得网络内部流量分布的信息。在实施拥塞控制时，还需要在结点之间交换信息和各种命令，以便选择控制的策略和实施控制。这样就产生了额外开销。拥塞控制有时需要将一些资源分配给个别用户单独使用，这样就使得网络资源不能更好的实现共享。
下图中横坐标是提供的负载，代表单位时间内输入给网络的分组数目。因此提供的负载也称为输入负载或网络负载。纵坐标是吞吐量，代表单位时间内从网络输出的分组数目。具有理想拥塞控制的网络，在吞吐量饱和之前，网络吞吐量应等于提供的负载，故吞吐量曲线是45°的斜线。但当提供的负载超过某一限度时，由于网络资源受限，吞吐量不再增长而保持为水平线，即吞吐量达到饱和。这就表明提供的负载中有一部分损失掉了（被某个结点丢弃）。虽然如此，在这种理想的拥塞控制作用下，网络的吞吐量仍维持在其所能达到的最大值。
但是，实际网络的情况就很不相同了。观察上图，随着提供的负载的增大，网络吞吐量的增长速率逐渐减小。也就是说，在网络吞吐量还未达到饱和时，就已经有一部分的输入分组被丢弃了。当网络的吞吐量明显的小于理想的吞吐量时，网络就进入了轻度拥塞的状态。当提供的负载达到某一数值时，网络的吞吐量反而随提供的负载的增大而下降，这时网络就进入了拥塞状态。当提供的负载继续增大到某一数值时，网络的吞吐量就下降到零，网络已无法工作，这就是所谓的死锁。
由于计算机网络是一个很复杂的系统，因此可以从控制理论的角度来看拥塞控制这个问题。从大的方面看，可以分为开环控制和闭环控制两种方法。开环控制就是在设计网络时，事先将有关发生拥塞的因素考虑到，力求网络在工作时不产生拥塞。但一旦整个系统运行起来，就不再中途进行改正了。闭环控制是基于反馈环路的概念，主要有以下几种措施：
（1）监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生
（2）把拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方
（3）调整网络系统的运行以便解决出现的问题
有很多的方法可用来监测网络的拥塞。主要的一些指标是：
- 由于缺少缓存空间而被丢弃的分组的百分数
- 平均队列长度
- 超时重传的分组数
- 平均分组时延
- 分组时延的标准差
一般在监测到拥塞发生时，要将拥塞发生的信息传送到产生分组的源站。当然，通知拥塞发生的分组同样会使网络更加拥塞。另一种方法是在路由器转发的分组中保留一个比特或字段，用该比特或字段的值表示网络没有拥塞或产生了拥塞。也可以由一些主机或路由器周期性的发出探测分组，以询问拥塞是否发生。此外，过于频繁的采取行动以缓和网络的拥塞，会使系统产生不稳定的振荡。但过于迟缓的采取行动又不具有任何实用价值。
