Control de la congestión en redes de datos de la Universidad Politécnica de Cartagena

REDES DE DATOS

2025 - Rafael Asorey Cacheda

Tabla de contenidos

Introducción al control de la congestión

1. Introducción al control de la congestión
2. La naturaleza de la congestión
3. Efectos de la congestión
4. Asignación de ancho de banda

Asignación justa del ancho de banda

1. Eficiencia frente a justicia
2. La justicia de max-min
3. Asignación en el tiempo

2 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE -eur+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY EREDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Tabla de contenidos

Incremento aditivo, decremento multiplicativo

1. Incremento aditivo, decremento multiplicativo
2. Modelos de asignación de ancho de banda
3. Funcionamiento de AIMD
4. Propiedades de AIMD
5. Señales de realimentación

Sincronización de asentimientos de TCP

1. Sincronización de asentimientos de TCP
2. El reloj de asentimientos de la ventana deslizante
3. Beneficios de la sincronización mediante asentimientos
4. Comienzo lento en TCP
5. El problema del inicio de las conexiones en TCP
6. La solución de comienzo lento

Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE -eur+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY E Tema 3. Control de la congestión 3REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Tabla de contenidos

Retransmisión y recuperación rápida en TCP

1. Retransmisión y recuperación rápida en TCP
2. Inferencia de pérdidas a partir de asentimientos
3. Retransmisión rápida
4. Inferencia de no pérdidas a partir de asentimientos
5. Recuperación rápida

Notificación explícita de la congestión

1. Notificación explícita de la congestión
2. Evitar una congestión frente a controlarla
3. Señales de realimentación

4 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE -eur+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY EREDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Ubicación en el curso

• ¡Seguimos en la capa de transporte!
• Analizaremos el misterio del control de la congestión.
• El control de la congestión tiene ciertas dependencias de la capa de red.

Aplicación Transporte Red Enlace Física Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Tema 3. Control de la congestión 5REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Introducción al control de la congestión

• El objetivo es entender el concepto de congestion, un atasco de "tráfico en la red".
• Más adelante se verá como controlarlo.

¿Por qué va todo tan lento? 6 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

La naturaleza de la congestión

• Los encaminadores y conmutadores tienen búferes internos para la contención.
• Estas memorias, cuando se llenan descartan los nuevos paquetes entrantes.
• Las colas ayudan a absorber ráfagas cuando la tasa de entrada es mayor que la de salida.
• Pero una tasa de entrada mayor que la de salida persistente provocará un desbordamiento de la cola.
• Esto es congestión.
• La congestión es una función de los patrones de tráfico.
• Puede ocurrir incluso si todos los enlaces tienen la misma capacidad.

7 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 5 4 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Efectos de la congestión

• ¿Qué ocurre con las prestaciones cuando se incrementa la carga?

Carga gestionada Respuesta deseada Retardo Congestión Colapso Carga ofrecida Carga ofrecida 8 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 4 290 CapacidadREDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Efectos de la congestión

• A medida que aumenta la carga ofrecida, la congestión ocurre en cuanto las colas empiezan a llenarse:
• El retardo y las pérdidas se incrementan de forma abrupta con el aumento de la carga.
• El caudal cae por debajo de la carga debido a las pérdidas.
• La carga gestionada puede caer por debajo del caudal debido a las retransmisiones.
• Nada de lo anterior es bueno.
• El objetivo es gestionar la red para que opere igual al momento anterior al inicio de la congestión.

9 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Asignación de ancho de banda

• Una tarea importante de la red es asignar capacidad a los transmisores.
• Una buena asignación siempre es eficiente y justa.
• Eficiencia implica que la mayor parte de la capacidad se usa sin generar congestión.
• Justo significa que cada transmisor obtiene una parte razonable de los recursos de red.

Tema 3. Control de la congestión 10 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Asignación de ancho de banda

• Observación importante:
• En una solución efectiva, las capas de red y transporten deben trabajar juntas en cooperación.
• La capa de red es la que puede detectar la congestión.
• Solo ella puede aportar información directa acerca de la congestión.
• Es la capa de red la que causa la congestión.
• Es solo ella la que puede reducir la carga ofrecida a la red.

Tema 3. Control de la congestión 11 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Asignación de ancho de banda

• ¿Por qué es tan difícil? (Por ejemplo, se podría repartir a partes iguales)
• El número de transmisores y la carga ofrecida cambia continuamente.
• Los transmisores pueden carecer de la capacidad necesaria en algunas zonas de la red.
• La red es distribuida, nadie tiene una imagen global de su funcionamiento o de su estado.

Tema 3. Control de la congestión 12 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Asignación de ancho de banda

• Contexto de las soluciones:
• Los transmisores se adaptan concurrentemente en base a sus observaciones del estado de la red.
• El diseño de estas adaptaciones debe ser tal que el funcionamiento del conjunto de la red sea eficiente y justo.
• La adaptación es continua ya que el número de transmisores y la carga ofrecida varían continuamente con el tiempo.

Tema 3. Control de la congestión 13 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Asignación justa del ancho de banda

• ¿Qué es una asignación justa de ancho de banda?
• Estudiaremos la asignación max-min de ancho de banda.

Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 14REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Eficiencia frente a justicia

• No siempre se pueden obtener ambas.
• Ejemplo de una red con tráfico A -> B, B -> C y A -> C.
• ¿Cuánto tráfico puede transportar? (La suma de todos los tráficos)

A B C 1 1 0 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290 Tema 3. Control de la congestión 15REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Eficiencia frente a justicia

• Si se tiene en cuenta la justicia:
• Se asigna el mismo ancho de banda a cada flujo.
• A -> B: 0.5 unidades, B -> C: 0.5 unidades y A -> C: 0.5 unidades.
• El tráfico total transportado es 1.5 unidades.

0.5 0.5 0.5 A B C 1 1 O 16 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 -euT+ 4 EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Eficiencia frente a justicia

• Si se tiene en cuenta la eficiencia:
• Se maximiza el tráfico total de la red.
• A -> B: 1 unidad, B -> C: 1 unidad y A -> C: o unidades.
• El tráfico total transportado es 2 unidades.

0 1 1 A B C O 1 1 10 17 Tema 3. Control de la congestión Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

La noción engañosa de justicia

• ¿Por qué tiene que ser justo el mismo ancho de banda para cada flujo?
• A > C usa más recursos de red (dos enlaces) que A > By B > C.
• El nodo A transmite dos flujos, B solo uno.
• No es productivo procurar la justicia exacta.
• Es mucho más importante evitar la inanición.
• "Todos los flujos igual" se puede considerar suficientemente justo.

Tema 3. Control de la congestión 18 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Generalización de "todos los flujos igual"

• El cuello de botella para un flujo de tráfico es el enlace que limita su ancho de banda.
• Es donde la congestión ocurre para el flujo.
• Para A -> C, el enlace A-B es el cuello de botella.

1 A B C O 1 O 10 10 Î Cuello de botella Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Tema 3. Control de la congestión 19REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

Generalización de "todos los flujos igual"

• Los flujos pueden tener distintos cuellos de botella.
• Para A -> C, el enlace A-B es el cuello de botella.
• Para B -> C, el enlace B-C es el cuello de botella.
• No es viable dividir los enlaces a partes iguales

A B C O 1 10 O Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Tema 3. Control de la congestión 20REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

La justicia de max-min

• Intuitivamente, los flujos atascados en un enlace consiguen una parte equitativa del mismo.
• La asignación max-min es tal que:
• Si se incrementa la tasa de cualquier flujo se reducirá la tasa de alguno más pequeño.
• Esto persigue maximizar el flujo mínimo.

Tema 3. Control de la congestión 21 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290REDES DE DATOS 2025 - Rafael Asorey Cacheda

La justicia de max-min

• Para encontrar la asignación max-min en una red, se puede imaginar "que se echa agua en la red".

1. Todos los flujos empiezan a tasa 0.
2. Se incrementan todos los flujos hasta que hay un cuello de botella en la red.
3. Se fija la tasa de todos los flujos que tiene un cuello de botella.
4. Se vuelve al paso 2 para el resto de los flujos.

Tema 3. Control de la congestión 22 Universidad Politécnica de Cartagena MIEMBRO DE 5 4 -euT+ EUROPEAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 290