擁塞現(xiàn)象概述

擁塞現(xiàn)象是指到達(dá)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(gè)網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)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(shí)，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達(dá)目的地的時(shí)間都相對(duì)增加(即延遲增加)，甚至有時(shí)在某段公路上車輛因堵塞而無法開動(dòng)(即發(fā)生局部死鎖)。

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與通信子網(wǎng)負(fù)荷(即通信子網(wǎng)中正在傳輸?shù)姆纸M數(shù))有著密切的關(guān)系。當(dāng)通信子網(wǎng)負(fù)荷比較小時(shí),網(wǎng)絡(luò)的吞吐量(分組數(shù)/秒)隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷(每個(gè)節(jié)點(diǎn)中分組的平均數(shù))的增加而線性增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加到某一值后,若網(wǎng)絡(luò)吞吐量反而下降，則表征網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞現(xiàn)象。在一個(gè)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)中，到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組將會(huì)遇到無緩沖區(qū)可用的情況，從而使這些分組不得不由前一節(jié)點(diǎn)重傳,或者需要由源節(jié)點(diǎn)或源端系統(tǒng)重傳。當(dāng)擁塞比較嚴(yán)重時(shí)，通信子網(wǎng)中相當(dāng)多的傳輸能力和節(jié)點(diǎn)緩沖器都用于這種無謂的重傳，從而使通信子網(wǎng)的有效吞吐量下降。由此引起惡性循環(huán)，使通信子網(wǎng)的局部甚至全部處于死鎖狀態(tài)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量接近為零。

造成擁塞的原因(1)多條流入線路有分組到達(dá)，并需要同一輸出線路，此時(shí)，如果路由器沒有足夠的內(nèi)存來存放所有這些分組，那么有的分組就會(huì)丟失。(2)路由器的慢帶處理器的緣故，以至于難以完成必要的處理工作，如緩沖區(qū)排隊(duì)、更新路由表等。

防止擁塞的方法(1)在傳輸層可采用：重傳策略、亂序緩存策略、確認(rèn)策略、流控制策略和確定超時(shí)策略。(2)在網(wǎng)絡(luò)層可采用：子網(wǎng)內(nèi)部的虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)策略、分組排隊(duì)和服務(wù)策略、分組丟棄策略、路由算法和分組生存管理。(3)在數(shù)據(jù)鏈路層可采用：重傳策略、亂序緩存策略、確認(rèn)策略和流控制策略。

該法用于虛電路分組交換網(wǎng)中。在建立虛電路時(shí),讓呼叫請(qǐng)求分組途經(jīng)的節(jié)點(diǎn)為虛電路預(yù)先分配一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)緩沖器已被占滿,則呼叫請(qǐng)求分組另?yè)衤酚?或者返回一個(gè)"忙"信號(hào)給呼叫者。這樣,通過途經(jīng)的各節(jié)點(diǎn)為每條虛電路開設(shè)的永久性緩沖區(qū)(直到虛電路拆除),就總能有空間來接納并轉(zhuǎn)送經(jīng)過的分組。此時(shí)的分組交換跟電路交換很相似。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)分組并將它轉(zhuǎn)發(fā)出去之后,該節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)確認(rèn)信息。該確認(rèn)一方面表示接收節(jié)點(diǎn)已正確收到分組,另一方面告訴發(fā)送節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)已空出緩沖區(qū)以備接收下一個(gè)分組。上面是"停一等"協(xié)議下的情況,若節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)議允許多個(gè)未處理的分組存在,則為了完全消除擁塞的可能性,每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為每條虛電路保留等價(jià)于窗口大小數(shù)量的緩沖區(qū)。這種方法不管有沒有通信量,都有可觀的資源(線路容量或存儲(chǔ)空間)被某個(gè)連接占有,因此網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用率不高。這種控制方法主要用于要求高帶寬和低延遲的場(chǎng)合,例如傳送數(shù)字化語(yǔ)音信息的虛電路。

分組丟棄法該法不必預(yù)先保留緩沖區(qū),當(dāng)緩沖區(qū)占滿時(shí),將到來的分組丟棄。若通信子網(wǎng)提供的是數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù),則用分組丟棄法來防止擁塞發(fā)生不會(huì)引起大的影響。但若通信子網(wǎng)提供的是虛電路服務(wù),則必須在某處保存被丟棄分組的備份,以便擁塞解決后能重新傳送。有兩種解決被丟棄分組重發(fā)的方法,一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點(diǎn)超時(shí),并重新發(fā)送分組直至分組被收到;另一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點(diǎn)在嘗試一定次數(shù)后放棄發(fā)送,并迫使數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)超時(shí)而重新開始發(fā)送。但是不加分辨地隨意丟棄分組也不妥,因?yàn)橐粋€(gè)包含確認(rèn)信息的分組可以釋放節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū),若因節(jié)點(diǎn)元空余緩沖區(qū)來接收含確認(rèn)信息的分組,這便使節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)失去了一次釋放的機(jī)會(huì)。解決這個(gè)問題的方法可以為每條輸入鏈路永久地保留一塊緩沖區(qū),以用于接納并檢測(cè)所有進(jìn)入的分組,對(duì)于捎帶確認(rèn)信息的分組,在利用了所捎帶的確認(rèn)釋放緩沖區(qū)后,再將該分組丟棄或?qū)⒃撋訋Ш孟⒌姆纸M保存在剛空出的緩沖區(qū)中。

定額控制法這種方法在通信子網(wǎng)中設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的稱做"許可證"的特殊信息,一部分許可證在通信子網(wǎng)開始工作前預(yù)先以某種策略分配給各個(gè)源節(jié)點(diǎn),另一部分則在子網(wǎng)開始工作后在網(wǎng)中四處環(huán)游。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送來自源端系統(tǒng)的分組時(shí),它必須首先擁有許可證,并且每發(fā)送一個(gè)分組注銷一張?jiān)S可證。目的節(jié)點(diǎn)方則每收到一個(gè)分組并將其遞交給目的端系統(tǒng)后,便生成一張?jiān)S可證。這樣便可確保子網(wǎng)中分組數(shù)不會(huì)超過許可證的數(shù)量,從而防止了擁塞的發(fā)生。