नेटवर्क कंजेशन

डेटा नेटवर्किंग और क्यूइंग सिद्धांत में नेटवर्क कंजेशन अल्प गुणात्मक सेवा है, जो तब होती है जब एक नेटवर्क नोड या लिंक हैंडल करने की क्षमता से अधिक डेटा ले जाता है। विशिष्ट प्रभावों में क्यूइंग डिले, पैकेट लॉस या नए कनेक्शनों को अवरुद्ध करना सम्मिलित है। कंजेशन का परिणाम यह है कि प्रस्तावित भार में वृद्धिशील वृद्धि या तो केवल छोटी वृद्धि या नेटवर्क थ्रूपुट में कमी की ओर ले जाती है।

नेटवर्क प्रोटोकॉल जो कंजर्वेटिव के कारण पैकेट नुकसान की भरपाई के लिए आक्रामक पुनर्संचरण (डेटा नेटवर्क) का उपयोग करते हैं, प्रारंभिक लोड को उस स्तर तक कम करने के बाद भी कंजर्वेटिव बढ़ा सकते हैं जो सामान्य रूप से नेटवर्क कंजर्वेटिव को प्रेरित नहीं करते हैं। ऐसे नेटवर्क लोड के समान स्तर के अनुसार दो स्थिर अवस्था प्रदर्शित करते हैं। कम थ्रूपुट वाली स्थिर अवस्था को कंजेस्टिव कोलैप्स के रूप में जाना जाता है।

नेटवर्क कोलैप्स से बचने की कोशिश करने के लिए कंजेशन कंट्रोल और कंजेशन अवॉइडेंस की तकनीक का उपयोग करते हैं। इनमें सम्मिलित हैं: 802.11 में सीएसएमए/सीए प्रोटोकॉल में क्सपोनेंशियल बैकऑफ़ और मूल ईथरनेट में समान सीएसएमए/सीडी, टीसीपी में विंडो रिडक्शन, और राउटर (कंप्यूटिंग) और नेटवर्क स्विच जैसे उपकरणों में फेयर क्यूइंग हैं। कंजेशन को संबोधित करने वाली अन्य तकनीकों में प्राथमिकता योजनाएँ सम्मिलित हैं जो कुछ पैकेटों को दूसरों से आगे उच्च प्राथमिकता के साथ संचारित करती हैं और प्रवेश नियंत्रण के उपयोग के माध्यम से विशिष्ट प्रवाह के लिए नेटवर्क संसाधनों का स्पष्ट आवंटन करती हैं।

नेटवर्क क्षमता
राउटर (कंप्यूटिंग) प्रसंस्करण समय और लिंक थ्रूपुट सहित नेटवर्क संसाधन सीमित हैं। कई सामान्य परिस्थितियों में नेटवर्क पर संसाधन विवाद हो सकता है। वायरलेस लेन एक पर्सनल कंप्यूटर द्वारा आसानी से भर जाता है। तेज़ कंप्यूटर नेटवर्क पर भी, बैकबोन नेटवर्क को कुछ सर्वर और क्लाइंट पीसी द्वारा आसानी से भरा किया जा सकता है। बॉटनेट द्वारा सेवा से इनकार हमले बड़े पैमाने पर नेटवर्क कंजेशन उत्पन्न करने वाले सबसे बड़े इंटरनेट बैकबोन नेटवर्क लिंक को भरने में सक्षम हैं। टेलीफोन नेटवर्क में, सामूहिक कॉल घटना डिजिटल टेलीफोन सर्किट को अभिभूत कर सकती है, जिसे अन्यथा सेवा के इनकार के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।

कंजर्वेटिव कोलैप्स
कंजर्वेटिव कोलैप्स वह स्थिति है जिसमें कंजर्वेटिव उपयोगी संचार को रोकता या सीमित करता है। कंजेशन कोलैप्स सामान्यतः नेटवर्क में चोक पॉइंट्स पर होता है, जहां आने वाला ट्रैफिक आउटगोइंग बैंडविड्थ से अधिक होता है। लोकल एरिया नेटवर्क और वाइड एरिया नेटवर्क के बीच कनेक्शन बिंदु सामान्य चोक पॉइंट हैं। जब नेटवर्क इस स्थिति में होता है, तो यह एक स्थिर स्थिति में आ जाता है जहां ट्रैफिक की मांग अधिक होती है लेकिन बहुत कम उपयोगी थ्रूपुट उपलब्ध होता है, जिसके दौरान पैकेट में डिले और नुकसान होता है और सेवा की गुणवत्ता बेहद खराब होती है।

1984 तक संभावित समस्या के रूप में कंजर्वेटिव कोलैप्स की पहचान की गई थी। इसे पहली बार अक्टूबर 1986 में प्रारंभिक इंटरनेट पर देखा गया था। जब एनएसएफनेट चरण-I बैकबोन ने परिमाण के तीन क्रमों को 32 किलोबाइट प्रति सेकंड की क्षमता से 40 बाइट प्रति सेकंड की क्षमता से गिरा दिया, अंतिम नोड्स के प्रारंभ होने तक जारी रहा है। 1987 और 1988 के बीच वैन जैकबसन और सैली फ्लॉयड के कंजेशन कंट्रोल को लागू करना है। जब इंटरमीडिएट राउटर द्वारा नियंत्रित किए जा सकने वाले पैकेट से अधिक पैकेट (सूचना प्रौद्योगिकी) भेजे गए, तो इंटरमीडिएट राउटर ने कई पैकेटों को छोड़ दिया, जिससे नेटवर्क के अंतिम बिंदुओं को सूचना को फिर से प्रसारित करने की उम्मीद थी। हालाँकि, प्रारंभिक टीसीपी कार्यान्वयन में खराब पुन: प्रसारण व्यवहार था। जब यह पैकेट लॉस हुई, तो समापन बिंदु ने अतिरिक्त पैकेट भेजे जो खोई हुई जानकारी को दोहराते थे, आने वाली दर को दोगुना कर देते थे।

कंजेशन कंट्रोल
ओवरसब्सक्रिप्शन के परिणामस्वरूप कंजेशन से बचने के लिए कंजेशन कंट्रोल एक दूरसंचार नेटवर्क में ट्रैफिक एंट्री को नियंत्रित करता है। यह सामान्यतः पैकेट की दर को कम करके पूरा किया जाता है। जबकि कंजेशन कंट्रोल प्रेषकों को नेटवर्क पर भारी पड़ने से रोकता है, प्रवाह नियंत्रण (डेटा) प्रेषक को रिसीवर पर भारी पड़ने से रोकता है।

कंजेशन कंट्रोल का सिद्धांत
कंजेशन कंट्रोल के सिद्धांत का नेतृत्व फ्रैंक केली (प्रोफेसर) द्वारा किया गया था, जिन्होंने सूक्ष्म आर्थिक सिद्धांत और उत्तल अनुकूलन सिद्धांत को लागू किया था, यह वर्णन करने के लिए कि कैसे व्यक्ति अपनी दरों को नियंत्रित करते हैं, इष्टतम नेटवर्क-व्यापी दर आवंटन प्राप्त करने के लिए अन्तःक्रिया कर सकते हैं। इष्टतम दर आवंटन के उदाहरण हैं अधिकतम-न्यूनतम उचित आवंटन और केली का आनुपातिक रूप से उचित आवंटन का सुझाव, चूंकि कई अन्य संभव हैं।

मान लीजिये $$x_i$$ प्रवाह की दर हो $$i$$, $$c_l$$ लिंक की क्षमता हो $$l$$, और $$r_{li}$$ 1 यदि प्रवाह हो $$i$$ लिंक का उपयोग करता है $$l$$ और 0 अन्यथा। मान लीजिये $$x$$, $$c$$ और $$R$$ संबंधित सदिश और आव्यूह बनें। मान लीजिये $$U(x)$$ एक बढ़ता हुआ, सख्त अवतल फलन हो, जिसे उपयोगिता कहा जाता है, जो यह मापता है कि उपयोगकर्ता दर पर संचारण करके कितना लाभ प्राप्त करता है $$x$$। इष्टतम दर आवंटन तब संतुष्ट करता है


 * $$\max\limits_x \sum_i U(x_i)$$
 * ऐसा है कि $$Rx \le c$$

इस समस्या का लैग्रेंज द्वैत अलग हो जाता है जिससे कि प्रत्येक प्रवाह अपनी दर निर्धारित करे, जो केवल नेटवर्क द्वारा संकेतित मान पर आधारित होता है। प्रत्येक लिंक क्षमता बाधा उत्पन्न करती है, जो लैग्रेंज गुणक को उदित करती है, $$p_l$$। इन गुणकों का योग, $$y_i=\sum_l p_l r_{li},$$ वह मान है जिस पर प्रवाह प्रतिक्रिया करता है।

कंजेशन कंट्रोल तब वितरित अनुकूलन एल्गोरिथम बन जाता है। इस ढांचे में कई सम्मिलित कंजेशन कंट्रोल एल्गोरिदम को मॉडल किया जा सकता है $$p_l$$ या तो नुकसान की संभावना या लिंक पर क्यूइंग डिले $$l$$ एक बड़ी कमजोरी यह है कि यह सभी प्रवाहों के लिए एक ही कीमत निर्धारित करता है, जबकि स्लाइडिंग विंडो प्रवाह नियंत्रण फट संचरण का कारण बनता है जो अलग-अलग प्रवाहों को अलग-अलग नुकसान या किसी दिए गए लिंक पर डिले का कारण बनता है।

कंजेशन कंट्रोल एल्गोरिदम का वर्गीकरण
कंजेशन कंट्रोल एल्गोरिदम को वर्गीकृत करने के तरीकों में से हैं:
 * नेटवर्क से प्राप्त प्रतिक्रिया के प्रकार और मात्रा के अनुसार: लॉस; डिले; सिंगल-बिट या मल्टी-बिट स्पष्ट संकेत
 * वृद्धिशील परिनियोजन द्वारा: केवल प्रेषक को संशोधन की आवश्यकता है; प्रेषक और रिसीवर को संशोधन की आवश्यकता है; केवल राउटर को संशोधन की जरूरत है; प्रेषक, रिसीवर और राउटर को संशोधन की आवश्यकता है।
 * प्रदर्शन पहलू से: उच्च बैंडविड्थ-विलंब उत्पाद नेटवर्क; हानिपूर्ण लिंक; निष्पक्षता; लघु प्रवाह का लाभ; चर-दर लिंक
 * निष्पक्षता मानदंड द्वारा: अधिकतम-न्यूनतम निष्पक्षता; आनुपातिक रूप से उचित; नियंत्रित डिले

न्यूनीकरण
नेटवर्क की कंजेशन को रोकने या नेटवर्क के कोलैप्स से निपटने के लिए तंत्र का आविष्कार किया गया है:
 * नेटवर्क शेड्यूलर – सक्रिय कतार प्रबंधन जो कंजर्वेटिव की उपस्थिति में नेटवर्क पैकेटों का क्रम बदलता है या चयनात्मक रूप से गिराता है
 * स्पष्ट कंजेशन अधिसूचना – आईपी और टीसीपी संचार प्रोटोकॉल का विस्तार जो एक प्रवाह नियंत्रण तंत्र जोड़ता है
 * टीसीपी कंजेशन कंट्रोल – नेटवर्क कंजर्वेटिव से निपटने के प्रयासों के विभिन्न कार्यान्वयन

सही समापन बिंदु व्यवहार सामान्यतः छोड़ी गई जानकारी को दोहराने के लिए होता है, लेकिन उत्तरोत्तर पुनरावृत्ति दर को धीमा करता है। बशर्ते सभी समापन बिंदु ऐसा करते हैं, कंजेशन हट जाती है और नेटवर्क सामान्य व्यवहार को फिर से प्रारंभ कर देता है। धीमी शुरुआत जैसी अन्य रणनीतियाँ सुनिश्चित करती हैं कि नए कनेक्शन भीड़ का पता लगाने से पहले राउटर को अभिभूत नहीं करते हैं।

सामान्य राउटर कंजेशन अवॉइडेंस मैकेनिज्म में फेयर क्यूइंग और अन्य शेड्यूलिंग एल्गोरिदम, और रैंडम अर्ली डिटेक्शन (आरईडी) सम्मिलित हैं, जहां कंजेशन का पता चलने पर पैकेट को बेतरतीब ढंग से गिरा दिया जाता है। कंजेशन होने से पहले यह सक्रिय रूप से एंडपॉइंट्स को धीमा संचरण के लिए ट्रिगर करता है।

कुछ एंड-टू-एंड प्रोटोकॉल कंजेशन वाली परिस्थितियों में अच्छा व्यवहार करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं; ट्रांसमिशन कंट्रोल प्रोटोकॉल एक प्रसिद्ध उदाहरण है। कंजेशन को संभालने के लिए पहला टीसीपी कार्यान्वयन 1984 में वर्णित किया गया था, लेकिन वैन जैकबसन द्वारा 1988 में बर्कले स्टैंडर्ड डिस्ट्रीब्यूशन यूनिक्स ("बीएसडी") में ओपन सोर्स सॉल्यूशन सम्मिलित करने से पहले अच्छा व्यवहार मिला था।

यूडीपी कंजेशन को नियंत्रित नहीं करता है। यूडीपी के ऊपर बनाए गए प्रोटोकॉल को स्वतंत्र रूप से कंजेशन को संभालना चाहिए। प्रोटोकॉल जो निश्चित दर पर प्रसारित होते हैं, कंजेशन से स्वतंत्र होते हैं, समस्याग्रस्त हो सकते हैं। रियल-टाइम स्ट्रीमिंग प्रोटोकॉल, जिसमें कई वॉयस ओवर आईपी प्रोटोकॉल सम्मिलित हैं, में यह गुण है। इस प्रकार, विशेष उपाय, जैसे कि सेवा की गुणवत्ता, कंजेशन की उपस्थिति में पैकेटों को गिरने से बचाने के लिए लिया जाना चाहिए।

व्यावहारिक नेटवर्क कंजेशन से बचाव
कनेक्शन-उन्मुख प्रोटोकॉल, जैसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले टीसीपी प्रोटोकॉल पैकेट लॉस के लिए देखते हैं, या उनकी संचरण दर को समायोजित करने के लिए क्यूइंग डिले हैं। विभिन्न नेटवर्क कंजेशन परिहार प्रक्रियाएं विभिन्न ट्रेड-ऑफ का समर्थन करती हैं।

टीसीपी / आईपी कंजेशन से बचाव
टीसीपी कंजेशन अवॉइडेंस एल्गोरिद्म इंटरनेट पर कंजेशन कंट्रोल का प्राथमिक आधार है।

समस्या तब होती है जब समवर्ती टीसीपी प्रवाह में टेल-ड्रॉप का अनुभव होता है, खासकर जब बफरब्लोट सम्मिलित होता है। यह विलंबित पैकेट नुकसान टीसीपी के स्वत: कंजेशन अवॉइडेंस में हस्तक्षेप करता है। इस पैकेट लॉस का अनुभव करने वाले सभी प्रवाह उसी समय एक टीसीपी पुनः प्रशिक्षण प्रारंभ करते हैं - इसे टीसीपी ग्लोबल सिंक्रोनाइज़ेशन कहा जाता है।

सक्रिय कतार प्रबंधन
सक्रिय कतार प्रबंधन (एक्यूएम) नेटवर्क इंटरफेस कंट्रोलर (एनआईसी) से जुड़े एक ट्रांसमिट बफर के अंदर नेटवर्क पैकेट को फिर से व्यवस्थित या गिराना है। यह कार्य नेटवर्क शेड्यूलर द्वारा किया जाता है।

रैंडम प्रारंभिक पहचान
एक समाधान नेटवर्क उपकरण की निकास कतार पर रैंडम अर्ली डिटेक्शन (आरईडी) का उपयोग करना है। एक से अधिक इग्रेस क्यू के साथ नेटवर्किंग हार्डवेयर पोर्ट पर, वेटेड रैंडम अर्ली डिटेक्शन (डब्ल्यूआरईडी) का उपयोग किया जा सकता है।

आरईडी अप्रत्यक्ष रूप से टीसीपी प्रेषक और रिसीवर को कुछ पैकेट गिराकर संकेत देता है, उदाहरण जब कतार की औसत लंबाई एक सीमा से अधिक हो (उदाहरण के लिए 50%) और रैखिक रूप से या क्यूबिक फ़ंक्शन से अधिक पैकेट हटा देता है, उदाहरण 100%, क्यू आगे भरता है।

मजबूतरैंडम अर्ली डिटेक्शन
मजबूत रैंडम अर्ली डिटेक्शन (आरआरईडी) एल्गोरिथम को डिनायल-ऑफ-सर्विस (डीओएस) आक्षेप, विशेष रूप से कम-दर डिनायल-ऑफ-सर्विस (एलडीओएस) आक्षेप के खिलाफ टीसीपी थ्रूपुट में सुधार करने का प्रस्ताव दिया गया था। प्रयोगों ने पुष्टि की कि आक्षेप के कारण दोलनशील टीसीपी कतार आकार के कारण एलडीओएस आक्षेप के अनुसार आरईडी-जैसे एल्गोरिदम कमजोर थे।

फ्लो-आधारित डब्ल्यूआरईडी
कुछ नेटवर्क उपकरण पोर्ट से सुसज्जित हैं जो प्रत्येक प्रवाह का अनुसरण और माप कर सकते हैं और सेवा नीति की कुछ गुणवत्ता के अनुसार बहुत बड़े बैंडविड्थ प्रवाह को संकेत देने में सक्षम हैं। एक नीति तब बैंडविड्थ को कुछ मानदंडों द्वारा सभी प्रवाहों के बीच विभाजित कर सकती है।

स्पष्ट कंजेशन अधिसूचना
अन्य दृष्टिकोण स्पष्ट कंजेशन अधिसूचना (ईसीएन) का उपयोग करना है। ईसीएन का उपयोग केवल तभी किया जाता है जब दो होस्ट संकेत देते हैं कि वे इसका उपयोग करना चाहते हैं। इस पद्धति के साथ, स्पष्ट कंजेशन को संकेत देने के लिए प्रोटोकॉल बिट का उपयोग किया जाता है। यह आरईडी/डब्लूआरईडी एल्गोरिदम द्वारा पैकेट लॉस द्वारा संकेतित अप्रत्यक्ष कंजेशन अधिसूचना से बेहतर है, लेकिन इसे दोनों मेजबानों द्वारा समर्थन की आवश्यकता है।

जब एक राउटर ईसीएन- सक्षम के रूप में चिह्नित पैकेट प्राप्त करता है और राउटर कंजेशन की आशंका करता है, तो यह ईसीएन फ्लैग सेट करता है, जिससे कंजेशन के प्रेषक को सूचित किया जाता है। प्रेषक को अपनी ट्रांसमिशन बैंडविड्थ को कम करके प्रतिक्रिया देनी चाहिए, उदाहरण के लिए, टीसीपी विंडो के आकार को कम करके या अन्य तरीकों से इसकी भेजने की दर को कम करके किया जाता है।

टीसीपी विंडो शेपिंग
यातायात को कम करके कंजेशन से बचा जा सकता है। जब कोई अनुप्रयोग किसी बड़ी फ़ाइल, ग्राफ़िक या वेब पेज का अनुरोध करता है, तो यह सामान्यतः 32K और 64K के बीच की विंडो का विज्ञापन करता है। इसके परिणामस्वरूप सर्वर डेटा की पूरी विंडो भेज रहा है (यह मानते हुए कि फ़ाइल विंडो से बड़ी है)। जब कई अनुप्रयोग एक साथ डाउनलोड का अनुरोध करते हैं, तो यह डेटा अपस्ट्रीम प्रदाता पर कंजेशन बिंदु बना सकता है। विंडो विज्ञापन को कम करके, दूरस्थ सर्वर कम डेटा भेजते हैं, इस प्रकार कंजेशन को कम करते हैं।

बैकवर्ड ईसीएन
बैकवर्ड ईसीएन (बीईसीएन) एक और प्रस्तावित कंजेशन अधिसूचना तंत्र है। यह आईपी नेटवर्क के लिए बुनियादी ईसीएन तंत्र को लागू करने के लिए आईपी सिग्नलिंग तंत्र के रूप में आईसीएमपी स्रोत न्यूनीकरण संदेशों का उपयोग करता है, आईपी स्तर पर कंजेशन नोटिफिकेशन रखता है और नेटवर्क एंडपॉइंट्स के बीच कोई अन्तःक्रिया की आवश्यकता नहीं होती है। उचित समायोजन के लिए टीसीपी और यूडीपी जैसे ट्रांसपोर्ट लेयर प्रोटोकॉल के लिए प्रभावी कंजेशन नोटिफिकेशन का प्रचार किया जा सकता है।

रेडियो लिंक्स
कंजेशन कोलैप्स से बचने वाले प्रोटोकॉल सामान्यतः मानते हैं कि डेटा लॉस कंजेशन के कारण होती है। वायर्ड नेटवर्क पर, प्रसारण के दौरान त्रुटियाँ दुर्लभ हैं। WiFi, 3G और रेडियो परत वाले अन्य नेटवर्क हस्तक्षेप के कारण डेटा लॉस के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं और कुछ स्थितियों में खराब थ्रूपुट का अनुभव कर सकते हैं। रेडियो-आधारित भौतिक परत पर चल रहे टीसीपी कनेक्शन डेटा लॉस देखते हैं और गलती से मानते हैं कि कंजेशन हो रही है।

अल्पकालिक कनेक्शन
स्लो-स्टार्ट प्रोटोकॉल छोटे कनेक्शन के लिए खराब प्रदर्शन करता है। पुराने वेब ब्राउज़र ने कई अल्पकालिक कनेक्शन बनाए और प्रत्येक फ़ाइल के लिए कनेक्शन खोला और बंद किया है। इसने अधिकांश कनेक्शनों को स्लो स्टार्ट मोड में रखा है। प्रारंभिक प्रदर्शन खराब हो सकता है, और कई कनेक्शन कभी भी धीमी गति से प्रारंभ होने वाली व्यवस्था से बाहर नहीं निकलते हैं, जिससे विलंबता काफी बढ़ जाती है। इस समस्या से बचने के लिए, आधुनिक ब्राउज़र या तो एक साथ कई कनेक्शन खोलते हैं या किसी विशेष सर्वर से अनुरोधित सभी फाइलों के लिए कनेक्शन का पुन: उपयोग करते हैं।

प्रवेश नियंत्रण
प्रवेश नियंत्रण कोई भी प्रणाली है जिसके लिए नए नेटवर्क कनेक्शन स्थापित करने से पहले अनुमति प्राप्त करने के लिए उपकरणों की आवश्यकता होती है। यदि नए कनेक्शन से कंजेशन होने का खतरा है, तो अनुमति देने से इनकार किया जा सकता है। उदाहरणों में लीगेसी वायरिंग पर होम नेटवर्किंग के लिए ITU-T G.hn मानक में कंटेंट-फ्री ट्रांसमिशन अवसर (सीएफटीएक्सओपी), आईपी नेटवर्क के लिए संसाधन आरक्षण प्रोटोकॉल और ईथरनेट के लिए स्ट्रीम आरक्षण प्रोटोकॉल सम्मिलित हैं।

बाहरी संबंध

 * Floyd, S. and K. Fall, Promoting the Use of End-to-End Congestion Control in the Internet (IEEE/ACM Transactions on Networking, August 1999)
 * Sally Floyd, On the Evolution of End-to-end Congestion Control in the Internet: An Idiosyncratic View (IMA Workshop on Scaling Phenomena in Communication Networks, October 1999) (pdf format)
 * Linktionary term: Queuing
 * Pierre-Francois Quet, Sriram Chellappan, Arjan Durresi, Mukundan Sridharan, Hitay Ozbay, Raj Jain, "Guidelines for optimizing Multi-Level ईसीएन, using fluid flow based TCP model"
 * Sally Floyd, Ratul Mahajan, David Wetherall: आरईडी-PD: आरईडी with Preferential Dropping
 * A Generic Simple आरईडी Simulator for educational purposes by Mehmet Suzen
 * Approaches to Congestion Control in Packet Networks
 * Papers in Congestion Control
 * Random Early Detection Homepage
 * Explicit Congestion Notification Homepage
 * TFRC Homepage
 * AIMD-FC Homepage
 * Recent Publications in low-rate denial-of-service (DoS) attacks

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