[發(fā)明專利]數(shù)據(jù)擁塞控制方法和設(shè)備

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210025151.3
• 申請日: 2012-01-19
• 公開（公告）號: CN103220232A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬帥
• 申請（專利權(quán)）人: 北京千橡網(wǎng)景科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: H04L12/865
• 分類號: H04L12/865
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 吳立明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，更具體地，涉及數(shù)據(jù)擁塞控制。

背景技術(shù)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在過多的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)的性能就會下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞。擁塞是當(dāng)多個用戶競爭訪問相同的資源(帶寬、緩沖區(qū)和隊列)時發(fā)生在共享網(wǎng)絡(luò)上的問題。就像高速公路發(fā)生的擁塞，很多車輛進入高速公路而不考慮即將發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的擁塞，隨著越來越多的車輛進入高速公路，擁塞會變得越來越嚴重。最后，斜坡上的車輛可能后退下滑，從根本上阻止車輛上去。

擁塞現(xiàn)象是指到達通信子網(wǎng)中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理，以致引起這部分乃至整個網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。這種現(xiàn)象跟公路網(wǎng)中經(jīng)常所見的交通擁擠一樣，當(dāng)節(jié)假日公路網(wǎng)中車輛大量增加時，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達目的地的時間都相對增加(即延遲增加)，甚至有時在某段公路上車輛因堵塞而無法開動(即發(fā)生局部死鎖)。

總之，在某段時間，若對網(wǎng)絡(luò)中某資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞，即，產(chǎn)生擁塞。若網(wǎng)絡(luò)中有許多資源同時產(chǎn)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)的性能就要明顯變壞，整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負荷的增大而下降。

網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的根本原因在于用戶(或叫端系統(tǒng))提供給網(wǎng)絡(luò)的負載大于網(wǎng)絡(luò)資源容量和處理能力，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)包延時增大、丟棄概率增大、上層應(yīng)用系統(tǒng)性能下降。

擁塞產(chǎn)生的直接原因有以下三點：

(1)存儲空間不足。幾個輸入數(shù)據(jù)流共同需要同一個輸入端口，在這個端口就會建立排隊，如果沒有足夠的存儲空間，數(shù)據(jù)包就會丟棄，對突發(fā)數(shù)據(jù)流更是如此。增加存儲空間在一定程度上可以緩解這一矛盾，但如果路由器有無限存儲空間量，擁塞只可能變得更壞，而不是更好——因為網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)包經(jīng)過長時間排隊后才通過路由器完成轉(zhuǎn)發(fā)，會浪費網(wǎng)絡(luò)資源，加重網(wǎng)絡(luò)擁塞。

(2)帶寬不足。低速鏈路對高速數(shù)據(jù)流的輸入也會產(chǎn)生擁塞。根據(jù)香農(nóng)信息理論，在網(wǎng)絡(luò)低速鏈路處會形成帶寬瓶頸，當(dāng)其滿足不了所有信源帶寬要求時，網(wǎng)絡(luò)就會發(fā)生擁塞。

(3)處理器能力弱、速度慢。如果路由器的CPU在執(zhí)行排隊緩存、更新路由表等功能時，處理速度跟不上高速鏈路，也會產(chǎn)生擁塞。同樣，低速鏈路對高速CPU也會產(chǎn)生擁塞。

因此，網(wǎng)絡(luò)中擁塞現(xiàn)象發(fā)生的原因是“需求”大于“供給”。網(wǎng)絡(luò)中有限的資源由多個用戶共享使用。由于沒有“接納控制”策略，網(wǎng)絡(luò)無法根據(jù)資源的情況限制用戶的數(shù)量；同時，網(wǎng)絡(luò)是一個分控制系統(tǒng)，由于缺乏中央集成控制，網(wǎng)絡(luò)無法控制用戶使用資源的數(shù)量。

從控制理論的角度，擁塞控制方法可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制是在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時事先將有關(guān)發(fā)生擁塞的因素考慮周到，力求網(wǎng)絡(luò)在工作時不產(chǎn)生擁塞。閉環(huán)控制是基于反饋環(huán)路的概念。當(dāng)流量特征可以準確規(guī)定、性能要求可以事先獲得時，適于使用開環(huán)控制；當(dāng)流量特征不能準確描述或者當(dāng)系統(tǒng)不提供資源預(yù)留時，適于使用閉環(huán)控制。目前主要采用閉環(huán)控制方式，以動態(tài)的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，其設(shè)計關(guān)鍵是如何生成反饋信息和如何對反饋信息進行響應(yīng)。

閉環(huán)的擁塞控制分為三個階段：檢測網(wǎng)絡(luò)中擁塞的發(fā)生；將擁塞信息報告到擁塞控制點；擁塞控制點根據(jù)擁塞信息進行調(diào)整以消除擁塞。閉環(huán)的擁塞控制可以動態(tài)的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，但算法性能受到反饋延遲的嚴重影響。當(dāng)擁塞發(fā)生點和控制點之間的延遲很大時，算法性能會嚴重下降。

任何關(guān)于擁塞的討論都要涉及到隊列。網(wǎng)絡(luò)上的緩沖區(qū)使用不同的隊列技術(shù)來管理。適當(dāng)?shù)墓芾黻犃锌梢允箒G失數(shù)據(jù)分組和網(wǎng)絡(luò)擁塞最小化并改進網(wǎng)絡(luò)性能。

最基本的技術(shù)是FIFO(先進先出)，即按照數(shù)據(jù)分組到達隊列的順序處理它們。此外，優(yōu)先級隊列方案使用具有不同優(yōu)先級的多個隊列，以便可以首先發(fā)送最重要的數(shù)據(jù)分組。

一項重要的隊列技術(shù)是將數(shù)據(jù)流分配到它們自己的隊列中。這樣區(qū)分數(shù)據(jù)流的目的是分配不同的優(yōu)先級。同樣重要的是，每個數(shù)據(jù)流負責(zé)確保它不會溢出自己的隊列。這樣分離的隊列確保每個隊列只包含來自單個源的數(shù)據(jù)分組。

CN102077532A公開了一種基于優(yōu)先級的服務(wù)請求、服務(wù)接納授權(quán)和網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的方法和系統(tǒng)，其中基于優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的方法由網(wǎng)絡(luò)實體實現(xiàn)，所述方法包括：確定與由網(wǎng)絡(luò)實體所處理的服務(wù)請求相關(guān)聯(lián)的一個或多個優(yōu)先級；確定資源可用性；以及基于與服務(wù)請求相關(guān)聯(lián)的一個或多個優(yōu)先級和資源可用性，確定是否授權(quán)服務(wù)請求。

總而言之，現(xiàn)有技術(shù)中，目前常見的擁塞控制是單用戶限速，限速會導(dǎo)致服務(wù)或通道的不充分利用，且限速標準較難客觀核定，受用戶的使用頻度影響。