[论文解读] Congestion Avoidance in Computer Networks with a Connectionless Network Layer, Part I: Concepts, Goals and Methodology

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

Network Traffic and Congestion Control被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于无连接网络拥塞避免的反馈控制框架，强调主动预防而非被动恢复。该框架引入了一个通用架构，包含拥塞检测、反馈选择和自适应算法等组件，以在动态网络条件下维持低延迟和高吞吐量，实现全局效率、公平性和鲁棒性。

ABSTRACT

Congestion is said to occur in the network when the resource demands exceed the capacity and packets are lost due to too much queuing in the network. During congestion, the network throughput may drop to zero and the path delay may become very high. A congestion control scheme helps the network to recover from the congestion state. A congestion avoidance scheme allows a network to operate in the region of low delay and high throughput. Such schemes prevent a network from entering the congested state. Congestion avoidance is a prevention mechanism while congestion control is a recovery mechanism. We compare the concept of congestion avoidance with that of flow control and congestion control. A number of possible alternative for congestion avoidance have been identified. From these a few were selected for study. The criteria for selection and goals for these schemes have been described. In particular, we wanted the scheme to be globally efficient, fair, dynamic, convergent, robust, distributed, configuration independent, etc. These goals and the test cases used to verify whether a particular scheme has met the goals have been described. We model the network and the user policies for congestion avoidance as a feedback control system. The key components of a generic congestion avoidance scheme are: congestion detection, congestion feedback, feedback selector, signal filter, decision function, and increase/decrease algorithms. These components have been explained.

研究动机与目标

• 开发一种拥塞避免机制，以在拥塞发生前进行预防，而非在发生后进行恢复。
• 确保该方案具备全局效率、公平性、动态性、收敛性、鲁棒性、分布式特性和配置无关性。
• 将网络拥塞和用户策略建模为反馈控制系统，以实现系统化的设计与分析。
• 定义明确的标准和测试用例，以评估拥塞避免方案的有效性。
• 区分拥塞避免与流量控制、拥塞控制，明确其在网络管理中的各自作用。

提出的方法

• 将网络和用户行为建模为具有明确定义组件的反馈控制系统，包括拥塞检测、拥塞反馈、反馈选择器、信号滤波器、决策函数以及增益/减小算法。
• 定义一种通用的拥塞避免架构，其中每个组件均为模块化且可独立分析。
• 使用一组测试用例评估候选方案是否满足既定目标，包括公平性和收敛性。
• 应用反馈控制理论以确保在动态网络环境中具备稳定性和响应能力。
• 设计反馈机制为分布式，避免集中控制并减少对配置的依赖。
• 实现信号滤波和决策函数，以平滑瞬态网络波动，避免对噪声的过度反应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖连接建立的前提下，主动避免无连接网络中的拥塞？
• RQ2 哪些架构组件是实现鲁棒、分布式且全局高效拥塞避免方案的关键？
• RQ3 在动态、分布式网络环境中，如何确保公平性和收敛性？
• RQ4 哪些标准能够区分有效与无效或设计不佳的拥塞避免方案？
• RQ5 反馈控制模型相较于传统拥塞控制和流量控制机制有何改进？

主要发现

• 反馈控制框架实现了主动拥塞避免，通过在拥塞发生前进行预防，维持了低延迟和高吞吐量。
• 模块化架构通过明确的组件（如拥塞检测、反馈选择器）实现，可在不同网络条件下灵活且可扩展地部署。
• 通过在终端系统和路由器之间分布决策，无需集中协调，该方案实现了全局效率和公平性。
• 通过信号滤波和自适应增减算法，确保了鲁棒性和收敛性，使系统能响应网络动态变化而不会产生振荡。
• 测试用例表明，所提出的各项目标（如配置无关性和动态适应性）在实践中是可实现的。
• 拥塞避免（预防）与拥塞控制（恢复）之间的区别被验证为对网络性能和稳定性至关重要。