网络层 拥塞控制
网络拥塞现象原因以及控制方法分享

网络拥塞现象原因以及控制方法分享拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多,使得该部分网络来不及处理,以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象,严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿,即出现死锁现象。
这种现象跟公路网中经常所见的交通拥挤一样,当节假日公路网中车辆大量增加时,各种走向的车流相互干扰,使每辆车到达目的地的时间都相对增加(即延迟增加),甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动(即发生局部死锁)。
网络的吞吐量与通信子网负荷(即通信子网中正在传输的分组数)有着密切的关系。
当通信子网负荷比较小时,网络的吞吐量(分组数/秒)随网络负荷(每个节点中分组的平均数)的增加而线性增加。
当网络负荷增加到某一值后,若网络吞吐量反而下降,则表征网络中出现了拥塞现象。
在一个出现拥塞现象的网络中,到达某个节点的分组将会遇到无缓冲区可用的情况,从而使这些分组不得不由前一节点重传,或者需要由源节点或源端系统重传。
当拥塞比较严重时,通信子网中相当多的传输能力和节点缓冲器都用于这种无谓的重传,从而使通信子网的有效吞吐量下降。
由此引起恶性循环,使通信子网的局部甚至全部处于死锁状态,最终导致网络有效吞吐量接近为零。
造成拥塞的原因:(1) 多条流入线路有分组到达,并需要同一输出线路,此时,如果路由器没有足够的内存来存放所有这些分组,那么有的分组就会丢失。
(2) 路由器的慢带处理器的缘故,以至于难以完成必要的处理工作,如缓冲区排队、更新路由表等。
防止拥塞的方法:(1) 在传输层可采用:重传策略、乱序缓存策略、确认策略、流控制策略和确定超时策略。
(2) 在网络层可采用:子网内部的虚电路与数据报策略、分组排队和服务策略、分组丢弃策略、路由算法和分组生存管理。
(3) 在数据链路层可采用:重传策略、乱序缓存策略、确认策略和流控制策略。
拥塞控制方法(1) 缓冲区预分配法。
该法用于虚电路分组交换网中。
在建立虚电路时,让呼叫请求分组途经的节点为虚电路预先分配一个或多个数据缓冲区。
网络层主要功能

网络层主要功能
网络层主要功能是实现网络之间的通信和数据包转发,包括以下几个主要功能:
1. IP地址分配和路由选择:网络层负责给每台连接到网络的
设备分配唯一的IP地址,以便进行标识和寻址。
同时,网络
层也需要选择最佳的路由路径,以便将数据包从源设备转发到目的设备。
2. 分组传输和转发:网络层将上层传输的数据进行分组,对每个分组加上目的地址等标识信息,以便在路由器之间进行传输。
网络层通过转发器和路由器将分组从源设备转发到目的设备。
3. 网络互连:网络层可以将多个不同网络互连起来,实现网络之间的通信。
通过路由器,网络层可以实现不同类型的网络互联,例如连接局域网和广域网。
4. 拥塞控制和负载均衡:网络层负责监测网络的拥塞情况,通过采取一系列措施,例如调整发送速率和选择较快的路由路径来控制拥塞。
此外,网络层还可以根据网络负载情况,将数据流量分摊到多个路由路径上,以实现负载均衡。
5. 数据包的分片和重组:网络层可以将较大的数据包进行分片,然后在目标设备上重新组装。
这样可以更高效地利用网络资源,并提高数据传输效率。
6. 错误检测和纠错:网络层可以对数据包进行错误检测,以确
保数据传输的可靠性。
如果在传输过程中发生错误,网络层还可以对数据包进行纠错操作,以保证数据的完整性和正确性。
总之,网络层是计算机网络体系结构中的一个重要组成部分,它负责实现数据的分组、路由选择、拥塞控制、负载均衡等功能,为上层应用提供可靠高效的网络通信服务。
浅谈计算机网络拥塞控制

造 成 网络 拥塞 的原 因 : 多条流 入线 路有 分 ①
组 到达 ,并需要 同一 输 出线 路 ,此 时 ,如 果路 由
器没有足够的内存来存放所有这些分组, 那么有
的分 组就 会 丢 失 ;② 路 由器 的慢 带 处理 器 的 缘
故 ,以至 于难 以完成 必要 的处 理工作 ,如 缓冲 区
拥塞是一种持续过载的网络状态, 此时用户
对 网 络 资 源 的 需 求 超 过 了 固 有 的 容 量 。 就
组丢弃策略、 由算法和分组生存管理。 路 ③在数
据链 路层 可采 用 :重传 策略 、乱序缓 存 策略 、确 认策 略和 流控制 策略 。
Itre nent的体 系 结构而 言 ,拥塞 的发生是 其 固有 的 属性 。 为在 事先没 有任 何协 商和 请求 许可机 因 制 的 资源共 享 网络 中 ,几个 I 组 同时 到达 路 P分 由器 , 期望 经 同一个 输 出端 口转发 的可 能性是 并 存 在 的 , 然 , 是所 有分 组可 以同时接 受处理 , 显 不
即 发送 窗 口的上 限值 =Mi [wn ,c n ] 也 n r d w d。 就 是说 T P发 送端 的发 送速 率 是受 目的主机 或 C 网络 中较慢 的一个 约束 。 慢 开 始原 理可 以归结 为三 点 。 ( ) 当主 机 开始 发 送数 据 时 ,如果立 即将 1
条 T P连 接有 时会 因等 待 重传 计 时器 的 C
2 网络拥 塞 控制
21 启动 (lw-s r 和拥塞 避 免 ( o g s o .慢 s - tt o a) c n et n i
a od n e v ia c )
必须有一个服务顺序 , 中间节点上的缓存为等候
网络层的主要功能

网络层的主要功能
网络层是计算机网络体系结构中的一层,它的主要功能是提供分组交换和转发服务,实现数据在不同网络节点之间的传输。
网络层的主要功能包括:
1. 路由选择:网络层通过路由选择算法,选择合适的路径将数据包从源主机传送到目的主机。
路由选择的目标是找到最佳路径,即最短传输时间或最小传输成本,以提高网络的性能和效率。
2. 分组交换:网络层将数据分成较小的数据包(分组),并对它们进行编号和寻址,以便在传输过程中进行排序和重组。
分组交换可以有效利用网络资源,提高网络的带宽利用率。
3. 路由转发:网络层根据数据包的目的地址进行转发,将数据包从源主机路由到目的主机。
转发过程是根据路由表中存储的路由信息来确定下一跳的节点,将数据包发送给正确的输出接口。
4. IP地址分配和管理:网络层负责给主机分配唯一的IP地址,以便在网络中进行识别和寻址。
它还管理IP地址的分配和回收,确保地址的有效使用和管理。
5. 数据链路层封装:网络层将上层传输层提供的数据进行封装,添加网络层的头部信息和尾部校验信息,以便进行数据的传输和路由选择。
6. 网络互联:网络层实现不同的网络之间的互联,通过路由器连接不同的网络,使得数据包可以跨越不同的网络传输。
7. 拥塞控制:网络层负责监测网络的拥塞情况,并采取相应的措施来减轻拥塞,如流量控制、拥塞避免和拥塞恢复等。
8. 数据安全性和隐私保护:网络层可以对传输的数据进行加密和身份认证等安全机制,保护数据的安全性和隐私。
通过实现这些功能,网络层能够有效地管理和传送数据,在网络中实现可靠和高效的通信。
07 网络层(拥塞和流控制)

HA
1)经过标准 的IP选路, 发往移动节 点的数据包 抵达归属网
FA
移动节点
4)移动节点发出 的数据包通过标 准的IP选路规程 发送到目的地 (FA为移动节点 的缺省Router)
IP主机
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通信量控制策略:漏桶算法
基本漏桶的原理
– 固定服务时间的单服务员 排队系统 – 主机与网络之间有一个带 漏桶的接口(有限内部队 列);一旦队列满,主机 再发出的分组将被丢弃; 接口每隔一个时钟节拍向 网络发送一个分组 – 适用于固定长度分组
传输层
• 子网内的虚电路与数据报 网络层 • 分组排队与服务策略 • 选路算法 数据链路层 • 重传策略 • 应答策略 • 分组丢弃策略 • 分组生命期管理 • 失序缓存策略 • 流控制策略
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流控制 拥塞控制与流量控制的区别
– 作用范围不同,前者涉及全局,后者涉及点到点之间 – 拥塞控制确保全网畅通;而流量控制只负责源端---目的端 的点到点通信,确保发送速率 ≤ 接收速率
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主机
分组 无规则的流
包含一个 漏桶的接口
装有分组的 漏桶
有规则的流
网络
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如何利用网络层技术实现网络流量控制与调度?(系列六)

网络流量控制与调度是网络层中的重要技术,它对网络的稳定性和性能具有至关重要的作用。
本文将介绍如何利用网络层技术实现网络流量控制与调度,从而提高网络的可靠性和效率。
一、背景介绍随着互联网的快速发展,网络流量不断增加,给网络的稳定性和性能带来了挑战。
流量控制与调度作为一种解决方案,可以帮助网络实现更好的管理和调配,从而提高网络的可靠性和效率。
二、网络流量控制技术1.流量限制流量限制是网络流量控制的一种重要手段。
通过设置流量限制规则,可以限制单个用户或单个应用程序的流量使用量,防止网络拥堵和过载。
流量限制可以根据实际需求进行设置,例如限制下载速度、上传速度或总流量。
2.拥塞控制拥塞控制是流量控制的另一种关键技术。
在网络拥塞发生时,通过减少数据包的发送速率、增加数据包的重传次数等手段,可以降低网络拥塞的程度,保证网络的稳定性和性能。
常用的拥塞控制算法有TCP拥塞控制算法和RED算法等。
3.负载均衡负载均衡是一种流量调度的技术,通过将流量从繁忙的服务器或网络设备转移到空闲的服务器或网络设备上,从而实现流量的均衡分配和负载优化。
负载均衡可以根据流量情况进行智能调度,提高网络的整体性能和可用性。
三、网络调度技术1.路由选择路由选择是网络调度的基础。
通过选择合适的路由,可以将流量从源节点传输到目的节点,从而实现流量的调度。
常用的路由选择算法有最短路径算法、链路状态路由算法和距离矢量路由算法等。
路由选择可以根据网络拓扑和链路状态进行动态调整,提高网络的可靠性和效率。
2.虚拟专用网络(VPN)VPN是一种通过公共网络建立私密连接的技术,通过创建虚拟通道,在公共网络上实现流量的隔离和调度。
通过VPN技术,可以将流量根据不同的需求进行调度,优化网络资源的利用,实现流量的高效传输。
3.分组调度分组调度是一种将网络流量划分为不同优先级的技术,通过设置优先级和调度策略,实现流量的有序传输。
通过分组调度,可以保证网络中关键数据的传输质量,提高网络的服务质量和用户体验。
网络层的拥塞控制

⽹络层的拥塞控制拥塞控制概述拥塞: 当⼀个⽹络出现太多分组,导致⽹络性能急剧下降出现资源拥塞的条件:对资源需求的总和 > 可⽤资源image.png拥塞控制:采取措施,防⽌⽹络出现拥塞.image.png有⼈想到了流量控制,他们有什么区别呢?拥塞控制是⼀个全局性问题所有主机和路由器存储-转发处理过程所有可能会削弱⼦⽹承载容量的其他因素流量控制只涉及发送⽅和接收⽅之间的点到点流量限制发送速率接收⽅向发送⽅发送反馈信息滑动窗⼝思路Open loop(开环⽅法)试图采⽤良好的设计来解决问题,本质是从⼀开始就保证不会发⽣拥塞问题。
⼀旦⽹络运⾏起来,就不需要中途做修正。
Closed loop(闭环⽅法)基于返回环路:Explicit feedback (显式反馈)Implicit feedback(隐式反馈)⽅法Open loop(开环⽅法)Preventative(预防性的⽅法)image.pngClosed loop(闭环⽅法)image.pngNetwork Provisioning(⽹络供给):⽹络升级/改造Traffic-aware routing(流量感知路由):在计算路由的时候,把流量因素考虑进去。
链路权值会根据⽹络负载动态调整,可以将⽹络流量引导到不同的链路上,均衡⽹络负载。
绕开热门的区域,疏散流量可能会出现摇摆不定的问题Internet路由协议⼀般不考虑流量负载因素Admission Control(准⼊控制):降低负载,在虚电路中控制新连接的建⽴。
⽤于虚电路⽹络⼀旦出现拥塞,则不再创建任何虚电路.当虚电路建⽴的时候,在主机和⼦⽹之间进⾏协商以达成⼀致的约定协商服务质量预留资源绕开有问题的区域建⽴新的虚电路Traffic throtting(流量调整)动态调整发送速度当拥塞迫在眉睫的时候,它必须告诉发送⽅紧急刹车放慢速度监视系统:预警拥塞将监视的信息反馈到能够采取缓解⾏动的地⽅依据什么来判断是否可能出现拥塞?链路平均利⽤率路由器内缓存排队的数据包丢弃的数据包数量EWMA模型:计算指数加权平均数image.pngThe warning bit(设置警告位)路由器监视平均队列长度当路由器处于警告状态时,在转发分组的头部设置⼆进制警告位源主机⽬标端将警告位送回源主机源主机监视设置了包含警告位的分组⽐例超过阈值,源主机减少发送Choke packet(抑制分组)当路由器处于警告状态时,向源主机发送抑制分组源主机将减慢到相同⽬标端的分组传输速率调整策略参数,按⼀定⽐例(⽐如50% )减少发向特定⽬的地的流量在⼀段时间间隔内,忽略所有指向同⼀⽬标的抑制分组若在监听周期内没有收到抑制包,则增加负载流量增减策略是:减少时,按⽐例减少,保证快速解除拥塞;增加时,以常量增加,防⽌很快导致拥塞。
拥塞控制

分组交换网X.25
3.用户接入方式 接入X.25分组交换网的用户设备主要有两种: • 分组终端设备:具有分组处理能力的主机和终端设 备,如X.25专用终端,支持X.25通信协议的计算机,此 类设备能直接接入X.25网,不需要分组格式转换设 备PAD。 • 非分组终端设备:不具有分组处理能力的主机和终 端设备,如计算机、打印机、电传机等,此类设备 需要分组格式转换设备PAD接入X.25网。
DDN概述
• DDN机与同步时分复用(TDM)和电路交换技术 的基本原理实现,为用户提供语音、数据、图像 信号的半永久性连接。DDN半永久性连接是指 DDN提供的信道是非交换型的,用户可提出申请 ,在网络允许的情况下,由网络管理人员对用户 提出的传输速率、传输数据的目的地和传输路由 进行设置和修改。
分组交换网X.25
X.25分组交换网由于采用统计时分复用技术 和复杂的检错纠错技术,网络传播质量高,可靠 性好,线路利用率高,成本低。其缺点是时延大 速率低。因此适合那些处在恶劣的环境下面要求 高可靠传输的应用。目前X.25技术已被帧中继技 术取代。 我国1993年建立并开通中国公用分组数据交 换网CHINAPAC,采用二级网络结构。
拥塞控制的意义
当提供的负载继续增大到某一数值时,网络的
吞吐量就下降到零,网络已无法工作。这就是 所谓的死锁(deadlock)。 死锁中有一种是直接死锁,即由互相占用了对 方需要的资源而造成的死锁。 还有一种死锁是由于路由器的缓存的拥塞而引 起的重装死锁(reassembly deadlock)。
SONET/SDH光传输系统
图7-16 SDH传输网络示意图
SONET/SDH光传输系统
多路复用器:将多个较低级别的信道复用
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两种情况:
分组长度固定 让队列每隔一个固定的时间发送一个分组。 分组长度可变 规定队列每次可以发送的最大字节数。
漏桶算法举例※
[例] 假设主机和网络的数据速率都是25MB/s,但路由器处 理能力较弱,在较长时间里,进入路由器的平均数据速率 最好不超过 2MB/s。设主机每秒产生一个突发数据块 (峰值速率25MB/s ),数据块长度为1MB。 [解] 为了限制数据进入网络的平均速度,应选择漏桶的输出 速率为ρ= 2MB/s,漏桶的容量为C=1MB,这样漏桶每次 最多可装入1MB的数据,不会造成数据丢失。
重传、乱序缓存、 确认、流控 子网中的虚电路 和数据报、分组 排队和服务策略、 分组丢弃策略、 路由算法、分组 的生存时间管理 重传、乱序缓存、 确认、流控、超 时中止
网络层
传输层
开环控制 — 通信量整形
通信量整形(Traffic Shaping)的基本思想
网络上,突发的通信量是造成拥塞的主要原因。
链路状态路由算法(Link State Routing)
分级路由(Hierarchical Routing)
拥塞的基本概念
拥塞(congestion):网络中存在过多分组的时候,网络性能 降低,这种情况被称为拥塞。图例 造成拥塞的原因
多个输入对应一个输出,只增加内存,并不能解决问题。 慢速处理器。 低带宽线路。 针对某个因素的解决方案,只能对提高网络性能起到一点点作用, 甚至可能仅仅是转移了影响性能的瓶颈。 拥塞控制需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量,是一个 全局性问题,涉及主机、路由器等很多因素。 流量控制与点到点的通信量有关,主要解决快速发送方与慢速接 收方的问题,是局部问题,一般都是基于反馈进行控制的。
最优化原则
最优化原则(optimality principle)
如果路由器 J 在路由器 I 到 K 的最优路由上,那么从 J 到 K 的最优路由 会落在同一路由上。 路由算法的目的是找出并使用汇集树。
汇集树(sink tree)
从所有的源 结点到一个给定 的目的结点的最 优路由的集合形 成了一个以目的 结点为根的树, 称为汇集树。
几种常见的路由算法
静态路由算法
最短路径选择(Shortest Path Routing) 洪泛算法(Flooding Routing) 基于流量的路由算法(Flow-Based Routing)
动态路由算法g)
如何反馈 —— 反馈方法
在分组结构中保留一个位或一个域来表示发生拥塞,一旦发生拥 塞,路由器将所有输出分组的拥塞位填充,报警。 主机或路由器主动地、周期性地发送探报(probe),查询是否发生 拥塞。
如何解决 —— 利用拥塞控制算法
开环控制 — 拥塞预防策略
影响拥塞的网络设 计策略
数据链路层
数据发送的峰值速率为 M = 25 MB/s,则最大突发长度为 : S= C/(M-ρ) ≈11ms 也即:一开始可按峰值速率连续发送11ms,然后以2MB/s的平 均速率继续发送直至结束。若令牌桶容量750KB时最大突发长度 可33ms。
漏桶和令牌桶算法的比较
通信量整形策略不同
漏桶算法不允许空闲主机积累发送权。 令牌桶算法允许空闲主机积累发送权,以便以后发送大的突发数 据,最大为桶的大小。
闭环控制(因地制宜)
监控系统,发现何时何地发生拥塞。 把发生拥塞的消息传给能采取动作的站点。 调整系统操作,解决拥塞问题。
闭环控制操作需要完成以下三个问题:何为拥塞、如何反馈和如 何解决。
闭环控制
何为拥塞 —— 衡量网络拥塞的参数
缺乏缓冲区造成的丢包率 平均队列长度 超时重传的分组数目 平均分组延迟 分组延迟变化(Jitter) 向负载的发生源发送一个报警分组,这同时加强了拥塞。
输入负载
图 拥塞控制所起的作用
直接死锁
直接死锁即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁。 例如两个结点都有大量的分组要发往对方,但两个结点中的缓 存在发送之前就已经全部被待发分组占满了。
当每个分组到达对方时,由于没有地方存放,只好被丢弃。发送分 组的一方因收不到对方发来的确认信息,只能将发送过的分组依然 保存在自己结点的缓存中。 这两个结点就这样一直互相僵持着,谁也无法成功地发送出一个分 组。
虚电路
4.网络层的两种实现方式
面向连接
数据报
5.网络层提供的服务
面向无连接
举例
请判断是虚电路还是数据报? M
R4 R5 HB
M1
M2
M3
R3
H
HA R1 R2
M1 M2 M1 H
M3
M3
M2
路由算法
路由算法是网络层软件的一部分
子网采用数据报方式,每个分组都要做路由选择。 子网采用虚电路方式,只需在建立连接时做一次路由选择。
基本思想:漏桶存放令 牌,每T秒产生一个令 牌,分组发送传输之前 必须获得一个令牌,传 输之后删除该令牌。 令牌代表的不是发送一 个分组的权利,而是可 以发送的字节数。
令牌桶算法※
令牌桶模型※
说明
主机
绿色-未整形的流量 紫色-整形后的流量 红色-桶内令牌 黄色-丢失的令牌
输入流量
效果
漏桶算法※
漏桶算法
无论水流进桶的速度为多少,只要桶中有水,水从桶中外 漏的速度是恒定的。桶空了,速度为零。桶满了,水外泄。
漏桶模型※
主机
说明
绿色-未整形的流量 紫色-整形后的流量 红色-丢失的分组
未经整形的流量 丢失的分组
分组漏桶 漏桶接口
整形后流量
网络
漏桶实现※
漏桶的本质
报文 A、B 和 C 经过路由器 P、Q 和 R 发往主机 H。 每一报文由 4 个分组构成。每个路由器的缓存只能容纳 4 个分组。 路由器 R 已为报文 A 预留了 4 个分组的缓存。 由于分组 A3 还未到达,所以目前还不能交付给主机 H。 分组 A3 暂存于路由器 P 的缓存中,它无法转发到路由 器 Q,因为路由器 Q 的缓存已全占满了。
Chap5 网 络 层
网络层主要内容
网络层概述
路由算法
网络层的地位 网络层需要解决的问题 数据报和虚电路 网络层提供的服务
拥塞控制算法
拥塞控制的基本原理 开环控制
最优化原则 最短路径路由算法 洪泛算法 基于流量的路由算法 距离向量路由算法 链路状态路由算法 分级路由
拥塞预防策略 通信量整形(漏桶和令牌桶) 流说明 虚电路网络中的拥塞控制 抑制分组 负载丢弃
闭环控制
Internet网络层协议(IP)
1.网络层的地位
通信子网的最高层
屏蔽各种不同类型网络 之间的差异 实现全网的数据传输
2.网络层需要解决的问题 3.三种通信交换方式
线路交换 报文交换 分组交换
拥塞控制
死锁主要有两种:一种是直接死锁,另一种重装死锁. (1)直接死锁:即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁.
①发送分组
⑥丢掉B 发来的 分组
A
分组1 分组2 分组3 ④发送分组
B
分组1 分组2 分组3
③丢掉A 发来的 分组
⑤节点A 的缓存已 满
②节点B 的缓存已 满
分组n
分组m
图 直接死锁的例
强迫分组以某种可以预见的速率传送,减少拥塞,这种方法就被 称为通信量整形。 此方法广泛应用于ATM网络中。 漏桶算法和令牌桶算法都可以实现通信量整形。 基本原理:图例。 在计算机中的使用
漏桶算法(The Leaky Bucket Algorithm)
漏桶——有限内部队列;水 —— 通信量,需要发送的分组。 分组到达队列时,队列满,分组被丢弃;队列空,分组放置在队尾。 将用户发出的不平滑的分组流转变成网络中平滑的分组流。 漏桶算法既可以用于分组长度固定的协议,如ATM,使用分组计数; 也可用于可变长分组的协议,如IP,使用字节计数。
拥塞控制的分类
根据控制论,拥塞控制可分为两类。 开环控制(防患于未然)
通过良好的设计解决问题,以避免拥塞发生。一旦运行,就不再 做中间阶段的更正。
进行开环控制的工具需要决定何时接收新的分组、何时丢弃分组、 丢弃哪些分组,制定网络中不同地点的计划表等。利用开环进行 拥塞控制时,所有这些操作都不会考虑网络的当前状态。 基于反馈机制。其工作过程为:
不采用漏桶算法: 1MB的数据块进入网络中只要 1MB÷25MB/s =40ms 就会全部流入网中 采用漏桶算法: 1MB的数据块进入网络中需要时间 1MB÷2MB/s =500ms 才能全部进入网中 平滑了原来波动很大的通信量曲线。
令牌桶算法
由于漏桶算法不够灵活,因 此加入令牌机制。 令牌桶算法 (The Token Bucket Algorithm)
桶中存放的内容不同
漏桶中存放的是数据,桶满了丢弃数据。 令牌桶中存放的是令牌,桶满了丢弃令牌,不丢弃数据。