مبادئ التحكم في الازدحام

يُنظم التحكم في الازدحام المعدل الذي تُدخل به المُرسِلات البيانات إلى شبكة مشتركة بحيث يظل الطلب الكلي قريبًا من السعة، متجنبًا انهيار الازدحام الذي يحدث عندما يتجاوز الحمل المعروض قدرة الشبكة على تسليمه.

Definition

التحكم في الازدحام هو مجموعة الآليات التي تعدل بها المُرسِلات معدلات إرسالها استجابةً لإشارات ازدحام الشبكة، وذلك للحفاظ على الحمل الكلي قريبًا من سعة الشبكة مع تقاسمه بعدالة بين التدفقات المتنافسة.

Scope

يغطي هذا الموضوع مبادئ وممارسة التحكم في الازدحام: التمييز بينه وبين التحكم في التدفق، أسباب وتكاليف الازدحام، المقاربات من طرف إلى طرف مقابل المقاربات المدعومة بالشبكة، ديناميكية الزيادة الإضافية/النقصان المضاعف (AIMD) وخصائصها من حيث العدالة والاستقرار، وخوارزميات TCP المحددة — البدء البطيء، تجنب الازدحام، الاستعادة السريعة — بالإضافة إلى دور الإخطار الصريح بالازدحام ووجود خوارزميات بديلة. يستثنى من ذلك آليات الموثوقية لكل اتصال، والتي تعالج استعادة الفقدان بدلاً من الحمل الزائد للشبكة.

Core questions

• كيف يختلف التحكم في الازدحام عن التحكم في التدفق؟
• ما الذي يسبب الازدحام، وما هو انهيار الازدحام؟
• ما هي ديناميكية AIMD، ولماذا تؤدي إلى العدالة والاستقرار؟
• كيف تعمل مراحل البدء البطيء، وتجنب الازدحام، والاستعادة السريعة في TCP؟
• كيف تُقارن إشارات من طرف إلى طرف (فقدان/تأخير) بإشارات مدعومة بالشبكة مثل ECN؟

Key concepts

• التحكم في الازدحام مقابل التحكم في التدفق
• انهيار الازدحام
• الزيادة الإضافية، النقصان المضاعف (AIMD)
• البدء البطيء
• تجنب الازدحام
• إعادة الإرسال السريع والاستعادة السريعة
• نافذة الازدحام
• الإخطار الصريح بالازدحام (ECN)
• العدالة والكفاءة

Key theories

الزيادة الإضافية، النقصان المضاعف (AIMD)

زيادة نافذة الإرسال خطيًا في غياب الازدحام وتخفيضها إلى النصف عند إشارة الازدحام يدفع التدفقات المتنافسة نحو حصة متساوية وفعالة من السعة؛ يظهر التحليل أن AIMD يتقارب نحو العدالة والكفاءة، وهذا هو سبب اعتماد TCP له.

مراحل التحكم في ازدحام TCP

يستكشف TCP عرض النطاق الترددي ببدء بطيء أسي، وينتقل إلى تجنب الازدحام الخطي بالقرب من السعة المقدرة، ويستخدم إعادة الإرسال السريع/الاستعادة السريعة للتفاعل مع الفقدان المعزول دون إعادة التشغيل، مستنتجًا الازدحام بشكل أساسي من فقدان الحزم.

تجنب انهيار الازدحام

بدون التحكم في المعدل، يمكن أن تؤدي عمليات إعادة الإرسال أثناء الحمل الزائد إلى دفع الشبكة إلى انهيار الازدحام حيث تنخفض الإنتاجية بشكل كبير؛ أدى إدخال تجنب الازدحام في أواخر الثمانينيات إلى إنقاذ الإنترنت من الانهيارات المتكررة.

Clinical relevance

التحكم في الازدحام هو ما يحافظ على قابلية استخدام الإنترنت المشترك تحت الحمل الثقيل: لقد منع الانهيار الشامل منذ أواخر الثمانينيات ويوازن باستمرار بين الإنتاجية، وزمن الوصول، والعدالة لمليارات التدفقات. يؤثر تصميمه بشكل مباشر على سرعات التنزيل، وجودة بث الفيديو، وأداء مراكز البيانات، وتستمر الأبحاث النشطة حول الخوارزميات مثل CUBIC و BBR وحول إدارة قائمة الانتظار ذات زمن الوصول المنخفض في تحسين هذا التوازن.

History

بعد سلسلة من انهيارات الازدحام على الإنترنت المبكر في 1986-1987، قدم عمل فان جاكوبسون عام 1988 البدء البطيء وتجنب الازدحام، مؤسسًا التحكم الحديث في ازدحام TCP. أوضح تحليل تشيو وجاين عام 1989 سبب تحقيق AIMD للعدالة والكفاءة. أنتجت العقود اللاحقة متغيرات مثل Reno، NewReno، CUBIC، و BBR القائم على النموذج، بالإضافة إلى آليات جانب الموجه مثل RED و ECN.

Debates

التحكم في الازدحام القائم على الفقدان مقابل القائم على التأخير والنموذج

يتفاعل TCP القائم على الفقدان فقط عندما تفيض المخازن المؤقتة، مما قد يسبب زمن وصول مرتفع (انتفاخ المخزن المؤقت) ويقلل من استخدام الروابط السريعة لمسافات طويلة، مما يحفز مخططات قائمة على التأخير والنموذج مثل BBR؛ يدور النقاش حول العدالة عندما تتعايش هذه المخططات مع التدفقات التقليدية القائمة على الفقدان.

Key figures

• Van Jacobson
• Dah-Ming Chiu
• Raj Jain
• Sally Floyd

Seminal works

• jacobson1988
• chiu1989
• kurose2021

Frequently asked questions

ما الفرق بين التحكم في التدفق والتحكم في الازدحام؟

يحمي التحكم في التدفق المُستقبِل: فهو يمنع المُرسِل السريع من تجاوز مخزن المُستقبِل البطيء المؤقت. يحمي التحكم في الازدحام الشبكة: فهو يمنع المُرسِلات بشكل جماعي من إغراق الموجهات والروابط بينها. يقوم TCP بكليهما، باستخدام نافذة الاستقبال للتحكم في التدفق ونافذة الازدحام للتحكم في الازدحام.

لماذا يتباطأ TCP عندما يرى فقدان الحزم؟

الفقدان هو الإشارة الرئيسية لـ TCP بأن الشبكة مزدحمة. من خلال تقليل معدل إرساله بشكل حاد عند الفقدان وزيادته تدريجيًا فقط بخلاف ذلك، يتراجع TCP عندما تكون الشبكة محملة بشكل زائد ويستكشف السعة الاحتياطية عندما لا تكون كذلك، مما يحافظ على حركة المرور الكلية قريبة من السعة ويتقاسم عرض النطاق الترددي بشكل عادل تقريبًا.