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计算机网络自顶向下方法34——网络层排队论缓存大小调节分组调度网络中立性

news 2025/11/6 6:44:09

排队发生在网络资源需求超过其瞬时容量的任何地方。理解排队的位置、规模和调度方式，是分析网络性能的基石。

排队主要发生在路由器的输入端口和输出端口。其位置对路由器性能有着截然不同的影响。

1. 输出端口排队

这是最常见、最主要的排队发生地。
产生原因：所有输入端口可能同时有数据包要发往同一个输出端口。即使交换结构的交换速率远高于单个链路速率，当多个输入端口同时向一个输出端口发送数据时，该输出端口的发送速率仍会成为瓶颈。
队列管理：每个输出端口都维护着一个输出队列（也称为缓存）。当数据包从交换结构到达输出端口，而该端口正在发送另一个数据包时，后到的数据包必须在队列中等待。

2. 输入端口排队

产生原因：当交换结构的速率慢于所有输入端口速率之和时，即使目的地不同，数据包也可能在输入端口被阻塞。
HOL阻塞：这是输入排队的一个致命问题。
- 场景：假设输入队列前端有两个包，第一个包要发往输出端口Y，第二个包要发往输出端口Z。如果输出端口Y正忙，即使输出端口Z空闲，第二个包也必须等待第一个包被服务，因为它被队首的包“堵”住了。
- 影响：HOL阻塞会显著降低交换结构的利用率（在最坏情况下可降至约59%）。
解决方案：采用虚拟输出队列。即为每个输入端口维护N个队列，每个队列对应一个输出端口。交换调度器可以查看所有输入端口的所有队列首部，从而绕过被阻塞的包，调度那些输出端口空闲的包。这几乎可以消除HOL阻塞。

这是一个在网络工程界争论已久的问题。

1. 传统经验法则

带宽延迟积：一个广为流传的经验法则是为每条链路提供 C × RTT 的缓存。
- C：是链路的容量（bps）。
- RTT：是典型的往返时间（s）。
原理：目的是为了填满一条端到端的TCP连接管道，使其能持续以满速率发送，而不至于因为缓存过小而限制其吞吐量。
举例：一条10Gbps链路，RTT为250ms，则建议缓存大小为：10e9 bps × 0.25 s = 2.5e9 bits ≈ 300 MB。

2. 现代观点与争议

问题：在拥有大量并行流（如核心路由器）的链路上，C × RTT 规则会导致严重过大的缓存。这会造成巨大的“缓冲区膨胀”，导致所有流经历极高的排队延迟，即 “缓冲块” 现象。
新思路：对于拥有大量独立流（N）的链路，所需的缓存大小应约为 C × RTT / √N。
结论：没有放之四海而皆准的答案。缓存大小的设置需要在吞吐量和延迟之间进行权衡：
- 大缓存：高吞吐量，但高延迟。
- 小缓存：低延迟，但可能因频繁丢包而降低吞吐量。

当队列中有多个数据包在等待时，调度算法决定下一个发送谁。这直接影响了公平性、延迟和保障。

1. 先进先出

2. 优先权排队

机制：将流量划分为多个优先级队列。调度器总是先发送非空的高优先级队列中的包，仅当所有更高优先级队列为空时，才发送低优先级队列的包。
特点：
- 绝对优先：可以保证对延迟敏感的流量（如VoIP）获得优先服务。
- 可能饿死低优先级流量：如果高优先级流量持续不断，低优先级流量可能永远得不到服务。

3. 循环调度

4. 加权公平排队

机制：这是最复杂也最理想的调度算法之一。它为每个队列 i 分配一个权重 w_i。
工作方式：WFQ近似地模拟了一种广义处理器共享模型。在每个时间点，它计算每个队列应获得的“服务量”，并据此进行调度。
特点：
- 权重保障：每个队列 i 能保证获得的带宽份额为：w_i / (所有队列权重之和) × 链路容量。
- 考虑包长：调度是基于“比特”而非“包”进行的，更加公平。
- 隔离性：一个行为不佳的流（发送过多数据）不会影响其他遵守规则的流获得其应得的带宽份额。

1. 什么是网络中立性？
这是一个监管和社会性议题，其核心原则是：互联网服务提供商（ISP）应对所有互联网流量一视同仁，不应基于内容、来源、目的地或应用进行歧视、限制或收费。

2. 分组调度如何关联网络中立性？

“中立”的调度器：像FIFO和RR这样的算法本质上是“中立”的，它们不区分流量类型。
“非中立”的调度器：像PQ和WFQ这样的算法，其设计目的就是区分流量，并为某些流量提供更好的服务。
- 良性使用：ISP可以用WFQ为语音通话提供低延迟保障，这被视为合理的网络管理。
- 争议使用：ISP可以用PQ来降级或** throttling **来自竞争对手（如Netflix）的流量，同时优先传输自己的视频服务流量。这被视为违反了网络中立性原则。