网络拥塞

计算机术语

网络拥塞（network congestion）是指在分组交换网络中传送分组的数目太多时，由于存储转发节点的资源有限而造成网络传输性能下降的情况。

定义

网络拥塞（congestion）是指在分组交换网络中传送分组的数目太多时，由于存储转发节点的资源有限而造成网络传输性能下降的情况。当网络发生拥塞时，一般会出现数据丢失，时延增加，吞吐量下降，严重时甚至会导致“拥塞崩溃”（congestion collapse）。通常情况下，当网络中负载过度增加致使网络性能下降时，就会发生网络拥塞。可由图 2.1 形象描述网络拥塞现象发生的过程。

网络拥塞形成的原因

因为在事先没有任何协商和请求许可机制的资源共享网络中，几个IP分组同时到达路由器，并期望经同一个输出端口转发的可能性是存在的，显然，不是所有分组可以同时接受处理，必须有一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。然而，如果此状况具有一定的持续性，当缓存空间被耗尽时，路由器只有丢弃分组。在这种持续过载的状态下，网络性能会急剧下降。

存储空间限制

在每个输出端口有一定的存储空间，若一个输出端口被几个输入数据流共同使用，输入流的数据包就会在该存储空间内排队等待输出。当端口转发数据的速率低于数据包的到达速率时，会造成存储空间被占满的情形，后到达的数据包将被丢弃。突发数据流的此种现象更多。虽然从某种程度上来讲，存储空间的增加能够缓解输出端口的压力。但是存储空间无限制的增加，会导致数据包完成转发时，它们早已超时，源端认为这些数据包在传输过程中被丢弃而要求重发，不仅降低网络效率，而且使得网络拥塞情况更加严重。另外在实际应用中，存储容量不可能无限制的增加，不符合实际意义。

带宽容量的限制

通过实践证明低速链路难以应对高速数据流的输入，从而发生网络拥塞。依据香农理论，信源的发送速率必须小于或等于信道容量。因此，当源端带宽远大于链路带宽形成带宽瓶颈时，导致数据包在网络节点排队等待，造成网络拥塞。

处理器性能限制

路由器中的 CPU 主要执行缓存区排队、更新路由表、进行路由选择等功能，如果其工作效率不能满足高速链路的需求，就会造成网络拥塞。

在实际应用中，复杂的网络结构和不合理的路由原则也会造成网络拥塞现象的发生。

拥塞控制

解决网络拥塞的方法是拥塞控制（congestion control）。拥塞控制需要确保网络能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素。衡量网络是否拥塞的参数主要有：缺乏缓冲区造成的分组丢失率、平均队列长度、超时重传的分组数目、平均分组延迟及分组延迟变化等。根据控制论，拥塞控制方法分为两类：第一类是开环控制，即通过设计一个好的算法来避免拥塞发生。在进行拥塞控制时，不考虑网络的当前状态。常用算法有：

1.源端拥塞控制算法

2.链路拥塞控制算法

第二类是闭环控制，即给予反馈机制，根据网络的当前状态来控制拥塞。反馈方法有以下几种：

1、向信息源发送一个告警数据报。

2、在数据包的结构中保留一个比特或一个域，用来表示发生拥塞。一旦发生拥塞，路由器对所有输出数据报中的相应比特进行设置，以此来向邻居告警。

3、主机或滤油器主动地、周期地发送探测数据报(probe)，查询是否发生拥塞。

闭环拥塞控制的工作过程如下：

1、由监控系统来发现何时何地发生拥塞；

2、当发生拥塞时，将发生拥塞的消息传给能采取动作的站点；

3、调整系统操作，解决拥塞问题。

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