[论文解读] Congestion Avoidance in Computer Networks with a Connectionless Network Layer

Raj Jain, K. K. Ramakrishnan+1 more|ArXiv.org|Sep 24, 1998

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 12被引用 163

一句话总结

本文提出一种基于二元反馈的拥塞避免机制，适用于无连接网络，其中网络头部的单个拥塞位用于向发送端指示其调整传输速率。该方案通过分布式的、与配置无关的控制机制，实现全局效率、公平性和鲁棒性，在高吞吐量环境中最小化分组丢失和排队延迟。

ABSTRACT

Widespread use of computer networks and the use of varied technology for the interconnection of computers has made congestion a significant problem. In this report, we summarize our research on congestion avoidance. We compare the concept of congestion avoidance with that of congestion control. Briefly, congestion control is a recovery mechanism, while congestion avoidance is a prevention mechanism. A congestion control scheme helps the network to recover from the congestion state while a congestion avoidance scheme allows a network to operate in the region of low delay and high throughput with minimal queuing, thereby preventing it from entering the congested state in which packets are lost due to buffer shortage. A number of possible alternatives for congestion avoidance were identified. From these alternatives we selected one called the binary feedback scheme in which the network uses a single bit in the network layer header to feed back the congestion information to its users, which then increase or decrease their load to make optimal use of the resources. The concept of global optimality in a distributed system is defined in terms of efficiency and fairness such that they can be independently quantified and apply to any number of resources and users. The proposed scheme has been simulated and shown to be globally efficient, fair, responsive, convergent, robust, distributed, and configuration-independent.

研究动机与目标

• 解决由于流量增加和异构互联技术导致的多样化无连接计算机网络中日益严重的网络拥塞问题。
• 区分拥塞避免（预防）与拥塞控制（恢复），强调主动机制的必要性。
• 设计一种可扩展的、分布式的拥塞控制机制，无需显式连接建立，适用于无连接网络层。
• 确保该方案在效率和公平性方面实现全局最优，且可独立量化于任意数量的用户和资源。
• 开发一种响应迅速、收敛稳定、鲁棒性强且与网络配置或初始条件无关的机制。

提出的方法

• 实施二元反馈机制，其中网络层头部包含一个比特，用于向终端主机指示拥塞状态。
• 利用反馈比特根据当前网络状况向发送端发送信号，以增加或减少其传输速率。
• 应用分布式控制算法，根据反馈调整源端速率，确保系统稳定与收敛。
• 通过独立量化用户间的效率（吞吐量）与公平性（速率分配）来定义全局最优性。
• 设计该方案为与配置无关，无需预先了解网络参数或拓扑结构。
• 在各种流量条件下对方案进行仿真，以验证其在延迟、吞吐量和公平性等关键指标上的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖连接建立或复杂信令的情况下，主动避免无连接网络中的拥塞？
• RQ2 在分布式的、可扩展的拥塞控制机制中，效率（吞吐量）与公平性（速率分配）之间的最优平衡是什么？
• RQ3 单比特反馈机制能否有效引导速率自适应，同时确保收敛性和鲁棒性？
• RQ4 与传统拥塞控制方法相比，该方案在不同网络负载和拓扑结构下的表现如何？
• RQ5 该方案在多大程度上可独立于网络配置，同时保持稳定性和公平性？

主要发现

• 该二元反馈方案通过独立量化并平衡分布式网络环境中的效率与公平性，实现了全局最优。
• 仿真结果证实，该方案具有全局高效性，在各种流量负载下均表现出高吞吐量和低排队延迟。
• 该机制具备公平性，可在无集中协调的情况下确保竞争流之间的公平速率分配。
• 该方案响应迅速且具有收敛性，能快速适应网络状态变化，并稳定在最优工作点。
• 其对网络参数变化具有鲁棒性，且无需针对不同部署场景进行配置或调优。
• 该方法为分布式且与配置无关，因此适用于大规模、异构的无连接网络（如互联网）。