Network Congestion Control

拥塞

拥塞是网络内部资源不足造成的现象。若进入网络的分组太多，路由器缓冲区、链路带宽、处理能力等资源被持续压满，就会出现排队时延增大、队列溢出、分组丢失和重传增多。

拥塞不是接收方来不及收。接收方来不及收属于流量控制问题；拥塞发生在网络内部，常见位置是路由器队列和瓶颈链路。

比较点	流量控制	拥塞控制
控制对象	发送方和接收方之间的速率匹配	网络内部整体负载
直接原因	接收方缓存或处理能力有限	路由器、链路、队列等网络资源过载
典型现象	接收方来不及接收	排队时延增大、丢包、重传增多
常见位置	数据链路层或运输层	网络层和运输层共同涉及

队列、时延和丢包

路由器不是立即把所有分组都发出去。若多个输入端口的分组都要从同一个输出端口发送，而输出链路速率有限，分组就要在输出队列中等待。

队列带来两个结果：

• 排队时延增大：队列越长，分组等待发送的时间越长。
• 队列溢出丢包：缓冲区不是无限的，队列满时，新到分组或队列中已有分组会被丢弃。

如果丢包触发上层重传，网络中会出现更多分组，进一步加重拥塞。因此严重拥塞时，输入负载继续增加不但不能提高有效吞吐量，反而可能使吞吐量下降。

拥塞控制的目标

拥塞控制的目标不是让链路永远低负载，而是在吞吐量、时延和丢包之间保持可用状态：

• 避免路由器队列长期处于满载。
• 避免大量丢包引起重传风暴。
• 让网络吞吐量随负载增加而平稳接近容量，而不是进入崩溃区。
• 在不同通信流之间尽量保持公平。

开环控制和闭环控制

拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制。

类型	思路	典型做法
开环控制	在拥塞发生前通过设计避免拥塞	合理的路由选择、准入控制、资源预留、流量整形
闭环控制	监测拥塞迹象，发生后反馈并调整	丢包反馈、RTT 增大、显式拥塞通知、源点抑制

开环控制强调预防，闭环控制强调检测、反馈和调节。实际网络通常同时使用两类思想。

隐式反馈和显式反馈

闭环拥塞控制需要让发送方知道网络变拥塞了。反馈可以是隐式的，也可以是显式的。

隐式反馈不直接告诉发送方发生拥塞。发送方从现象推断拥塞，例如：

• 分组丢失。
• 计时器超时。
• 往返时间 RTT 明显增大。
• ACK 返回变慢。

运输层的 TCP 拥塞控制主要使用这类信号。慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复应放在运输层笔记里详细展开。

显式反馈由网络设备或接收方明确反馈拥塞信息。历史上的 ICMP 源点抑制就是一种显式反馈：路由器或主机因拥塞丢弃 IP 数据报时，向源主机发送源点抑制报文，要求源主机降低发送速率。现代因特网已经不依赖它作为主流拥塞控制机制，但它能说明网络层也曾尝试直接向源站反馈拥塞。

队列管理

最简单的路由器队列管理方式是尾部丢弃。当队列满时，新到分组被丢弃。它实现简单，但问题也明显：

• 拥塞信号来得太晚，只有队列满了才丢包。
• 多个 TCP 流可能同时被丢包，导致同步降速和同步恢复。
• 队列长期很满时，排队时延很大。

主动队列管理 AQM 的思想是：不要等队列完全满了才处理，而是在拥塞明显恶化前提前丢弃或标记一部分分组，让发送方较早感知拥塞。

RED

RED 随机早期检测是一种典型 AQM 方法。它不只看瞬时队列长度，而是使用平均队列长度，并设置最小门限和最大门限。

RED 的基本规则是：

平均队列长度	处理
小于最小门限	分组正常入队
介于最小门限和最大门限之间	按一定概率丢弃或标记分组
大于最大门限	强制丢弃分组

RED 的目的不是“为了丢包而丢包”，而是提前给发送端拥塞信号，避免队列长时间满载。它试图用少量早期丢弃换取更稳定的队列长度和更低的排队时延。