在网络活动中，网络的低延迟性一直是开发者与用户所关注的问题。缓存区过载会增加网络延迟，降低速度传输效率。SQM算法与数据流整形的方法都能减轻缓存区过载，从而优化用户体验。

缓存区过载的含义与影响

ISP指的是互联网提供商，在网络活动中，家庭网络中的设备连接到路由器，路由器再与ISP 相连接，从而访问Internet。在连接到光纤“骨干”，也就是为整个国家或地区服务的总光纤之前，ISP需要先连接到更大的ISP。

而要访问Web服务器时，数据博旭从家庭网络上的设备跨越许多其他设备，到达才能到达目的地，以在BBC网站上阅读新闻报道为例，数据的最终目的地是BBC 网端服务器。

当家庭或者用户的设备访问BBC网络服务器时，家庭网络上的多个设备都可能需要发送和接收数据。这些独立的数据流量流在家庭宽带路由器上相交。

因此一般来说，路由器需要配有数个输入端口，允许多个设备将数据从家庭网络发送到互联网，或者允许数据包从路由器的输出端口进行传输。

通常，家庭宽带路由器只有一个输出端口，连接到ISP的线路。作为互联网协议(IP)套件的一部分，传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)负责在互联网上发送数据。TCP保证了数据包的传输，但它的传输速度比“尽力而为”的UDP慢。

当接收方收到TCP数据包时，会向将确认信息反馈给发送方。如果发送方没有收到对数据包的确认，则发送方就会重传该数据包。

还是以BBC阅读新闻为例，当人们访问BBC网络服务器时，路由器上的设备会通过网线相连接，传输方面，BBC网络服务器则使用了TCP slow，会缓慢增加发送的数据包数量，直到检测到缓存已到最大容量为止，这样能避免造成网络拥塞。

TCP使用流量控制来确保网络服务器的接收方效率，避免其被发送方设备的数据包淹没。这是接收器提供者声称的接收窗口效率。即使发送方发送数据包的速度够快，能与宣传中的接收窗口效果达成一致，但拥塞仍然可能发生在传输路径的任何设备上。

图1显示，在家庭网络设备发送方和BBC web服务器接收方之间，数据的传输路径上有许多设备。因此，传输速度可能受到发送方性能、接收方性能以及它们之间路径上的设备的影响。

图1

当数据包的数量，也就是线路负载大于线路的容量时，传输路径上就会出现拥塞，数据包只能排队等待通过或直接被丢弃。

为了避免这种情况出现，TCP开发了拥塞控制机制，旨在利用发送的数据包流发送情况和确认情况，确定数据发送速率来避免拥塞。

如果TCP发送方检测到，它和接收方之间的路径数据很少或没有拥塞情况，它就会提高传输速率。如果发送方发送的数据*过包**多，则会导致接收方丢弃数据包，丢弃的数据包将不会被接收方确认。

如果一个数据包没有在第一时间收到确认反馈，则TCP会假定它已被丢弃。而丢弃的数据包向发送端发出传输速率较大，当其大于容量的信号时，数据传输速率还是会降低。因此，TCP拥塞控制是“反馈控制”。

但是延迟是传输延迟、处理延迟和排队延迟的组合。队列延迟取决于队列大小。因此，缓冲区过大也可能导致缓冲区膨胀。

如图2所示，路由器中缓冲区是一项必备要素，在拥塞发生时它会发挥作用，可以临时存储那些等待传输的数据包。有了缓冲区的存在，TCP和UDP数据包在排队时不会丢失，并且可以在带宽可用时发送。

图2

路由器需要这些缓冲区以最大传输速率保持数据包流。但如果路径上的设备有很大的缓冲区，相关的问题出现，即数据包可能要等待很长时间才能发送。

由于数据包没有被丢弃，所以发送方不会收到线路容量已超出的信息，只有信息传送超时的时候，发送方才能知道传输路径上存在拥塞。

这种反馈延迟会影响路由器与接收器性能，如果延迟非常大，则用户端得到的网络状态反馈就会不准确。这就导致当拥塞发生时，数据传输防堵塞机制不会做出应有的响应，即降低数据包发送速率。

缓存区过载不仅会影响TCP，还会影响数据传输其他协议，部分原因是它们使用了相同的缓冲区。在数据包开始丢失之前，路由器的缓冲区可能就会填满数据。

虽然TCP数据包可以在交互式应用程序之前排队，但是当缓冲区及队列中有太多数据包时，就会出现缓冲区膨胀，数据包排队的时间就会增长，这会增加延迟，并导致应用程序性能下降。

图3演示了一个具体实例，对于正在进行视频通话的用户来说，延迟可能意味着他们正在观看五秒前，甚至更早之前的影音图像。不夸张的说，缓存区过载导致互联网的延迟，有时甚至会超过地球到月球的光传播延迟。

图3

与当今的路由器相比，较老的路由器具有较小的缓冲区，所以缓冲区满载的速度更快，线路饱和的信息反馈更及时，过载数据包也能迅速丢弃。

较新的路由器具有更大的缓冲区，通常可以保存相当于大约10秒的数据。因此，10秒的数据会在没有丢包反馈的情况下发送，这就产生了如图4所示的TCP锯齿状结构。

当线路上的容量可用时，TCP缓慢地提高数据速率，从图中可以看到线路缓慢上升，当拥塞发生时，它会迅速降低速率，比如图中的直线急剧下降。

图4

随着内存成本的下降，路由器缓冲区变得更大了。但是缓冲区应该有多大，以及缓冲区大小如何影响网络带宽，目前还没有得到很好的理解。

路由器缓冲区的大小通常基于ANSNET中的高性能TCP中的规则。缓冲区大小的增加可以看作是防止网络拥塞，从而保证算法正常工作。

然而在大多数家庭宽带路由器上，用户不能更改缓冲区大小。路由器上的QoS (Quality of Service)设置也不能有效减少缓存区过载。当一些数据流量被优先化时，其余数据就会被排在后面。这意味着缓冲区中的所有数据流量仍然需要发送，但是速度更慢。

而高速连接不能防止缓冲区膨胀。延迟的时间可能仍然很长。而许多应用程序对延迟比对低带宽更敏感。通常受缓存区过载影响的延迟敏感应用包括但不限于，VoIP电话、视频会议、在线游戏、视频流与音乐流等等。

缓存区过载可以通过智能队列管理(SQM)算法得到缓解。SQM执行按包或者按流的网络调度、活动队列长度管理(AQM)、流量整形和速率限制以及QoS。

SQM会将来自单个IP地址或端口的流量放入自己的队列中。这意味着，与使用QoS时不同，拥塞时的队列不会变得太长，因为那些小队列中的数据包，以及没有队列的流数据包会被优先考虑。如果队列变得太大，算法则会丢弃一定比例的数据包，以使拥塞避免生效。

但是SQM成本较为高昂，许多消费级路由器制造商在成本考虑下，不会安装可以防止缓存区过载的固件。

进一步来说，路由器的设计已经好几年没有改变了，而且这个趋势似乎还会继续持续下去，所以用另一种方法减少缓存区过载是很有必要的。

缓存区过载缓解方法的验证实验

目前，数据流整形和SQM算法都能用于缓解缓存区过载，改善用户体验。为了更好地了解上述方法的适用性，缓存区过载的优化验证实验需要使用不同的路由器配置，结合优化算法进行大量测试，同时测量不同负载下的延迟效果。

为了排除其他因素的干扰，实验需要控制卸载和加载测试之间的延迟度，

过载优化验证实验测试了视频流与文件*载下**两种行为。关于视频流上传于*载下**行为，优化实验使用了两个设备来创建不同的负载，同时以不同的分辨率流式传输视频。当视频分辨率改变时，带宽需求也会所有改变。

视频的传输格式则包括720p、高清1080p和4K的2160p 。为了模拟用户在实际使用时的复杂行为模式，验证实验还尝试了用一台设备，将*载下**文件与*放播**视频视频同时进行。

在SQM算法测试方面，验证实验首先要使设备具有算法运行条件。要在路由器上启用SQM，用户需要安装OpenWRT固件的SQM包，luci-app-sqm。SQM使用的队列规则是cake，脚本是pieces_of_cake.qos，SQM链路层自适应设置是ATM和44字节的开销。

在数据流整形测试方面，用户可以利用日志含义修改路由器配置，在实验中，当使用数据流整形时，上游和下游都被整形为95%的线路容量。

对于每个测试，实验者都使用ping测试来记录最小、最大和平均延迟以及数据包丢失情况。

如果延迟随着负载的增加而显著增加，这表明路径中存在缓存区过载现象。此外，如果视频在测试过程中被缓冲、冻结或像素化，那么它们都会被记录下来。对于执行文件*载下**的测试，实验组则记录了*载下**文件所需的时间。

但是有些因素是研究人员无法控制的，比如YouTube服务器用于视频流的速度，微软服务器用于文件*载下**的模式，谷歌域名系统(DNS)服务器用于测量延迟的方法，以及用于使带宽饱和Me服务器执行情况。因此，每次测试都需要重复三次以检测异常。

在设置好后，实验验证了SQM和数据流整形的积极作用，它们都能减轻缓冲区过载和改善用户体验。同时不管是启用SQM还是数据流整形，其相对应的数据传输延迟都在一个很低的水平，在负载下也没有显着变化。

流媒体视频在观看时也没有出现缓冲、冻结或像素化现象。通过ping测试产生的平均往返时间(RTT)可以看出，当同时启用数据流和SQM时，数据传输的延迟最低。

从优化实验中可以看出，当使用这些机制时，流媒体视频不会缓冲、冻结或像素化。也就是说，当延迟一直维持在低水平时，对延迟敏感的应用程序不会受到影响。人们就算同时流视频、玩在线游戏、视频会议和进行VoIP呼叫，也不会出现延迟或应用程序不稳定的问题。

然而当启用SQM和数据流整形时，文件*载下**时间却增加，因为视频流量是优先级的。数据流整形确实会导致带宽的小损失，但相比之下，SQM能在缓解过载压力方面发挥更大作用。

过载优化方案的适用性讨论

自2011缓冲区过载问题第一次被提出以来，大量的互联网流量转向依赖于rtt的小突发，或者使用限速流，来限制控制缓冲区膨胀速率，以及控制进出网络的流量。然而，缓冲区过载的问题仍然存在。

根据1965年的摩尔定律，路由器容量每24个月翻一番。对于处理速度、内存容量、传感器等，摩尔定律解释了它们是如何随着价格的下降而呈指数级增长的。

如今，路由器有了更多的内存，但路由器的速度还是在受内存访问速度的限制，内存访问速度自2011年以来一直没有提高。

路由器通常具有动态随机存取存储器(DRAM)。DRAM的存取速度不如静态随机存取存储器(SRAM)快，但它具有更低的成本。因此，路由器内存通常是为大容量存储设计，而不是为了提高速度。

虽然SQM能够减轻缓冲区过载，降低网络延迟，但由于互联网服务提供商通常免费提供路由器，所以人们不太可能为带有SQM的路由器支付更多费用。而且SQM算法的OpenWRT固件网络界面也较为复杂，可能超出了大多数家庭宽带用户的理解范围。

此外，用户需要自己执行固件升级，不会提供对路由器的支持。

对于消费者级和ISP供应商提供的路由器来说，它们的重要目标是易于设置和操作。有报道称，一些ISP提供商正在他们提供的路由器中添加SQM。然而，当SQM与数据流整形相结合时，二者才能发挥出最佳性能。

由于互联网服务提供商寻求降低客户服务成本，而数据流成形过程需要较高水平的技术技能，这超出了大多数家庭用户的能力，因此在经济层面上，互联网服务提供商推广数据流成形的使用不太可行。