tcp协议-拥塞控制

前言

目的：为了避免发送方无节制地发送数据，从而造成网络拥堵。
流量控制和拥塞控制的区别：
流量控制是作用于接收者的，控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失。
拥塞控制是作用于网络的，防止过多的数据注入到网络中，避免网络负载过大。

基础

拥塞现象：

当网络负载较小时，吞吐量基本上随着负载的增长而增长，呈线性相关，响应时间增长缓慢。当负载达到网络容量时，吞吐量呈现出缓慢增长，而响应时间急剧增加，称为Knee。假如负载继续增加，路由器开始丢包，当负载超过一定量时，吞吐量开始急剧下降，称为Cliff。

原因：

网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力…

解决方向：

拥塞虽然是由于网络资源的稀缺引起的，但单纯增加资源并不能避免拥塞的发生。拥塞本身是一个动态问题，它不可能只靠静态的方案来解决，而需要协议能够在网络出现拥塞时保护网络的正常运行。

拥塞控制机制

拥塞控制机制实际上包含拥塞避免和拥塞控制两种策略。前者的目的是使网络运行在Knee四周，避免拥塞的发生；而后者则是使得网络运行在Cliff的左侧区域。前者是一种“预防”措施，维持网络的高吞吐量、低延迟状态，避免进入拥塞；后者是一种“恢复”措施，使网络从拥塞中恢复过来，进入正常的运行状态。

拥塞控制算法

慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。整体过程大约如下：

1. 在 TCP 连接建立完毕后，会先使用慢开始算法，指数级逐渐增大拥塞窗口（+1 +2 +4 +8…）。
2. 当拥塞窗口达到慢启动门限 ssthresh时，会使用“拥塞避免算法”，线性逐渐增大拥塞窗口。（+1 +1 +1…）
3. 当发生超时重传或快速重传时
   1. 发生超时重传，将 ssthresh 设为 cwnd/2，将 cwnd 设为初始值，然后会再次使用慢开始算法。
   2. 发生快重传，使用快恢复算法，然后进入拥塞避免阶段。

慢开始

TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢开始的过程，其体现就是一点一点的提高发送数据包的数量，当发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1。慢开始算法过程中数据大传输呈指数性增长。
指数性增长就体现在开始增长速率慢，所以叫慢开始。但指数性增长后期增长速率极快，为防止增长过快引起，有一个状态变量慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）控制其何时停止慢开始算法。
当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启“开始算法”。
当 cwnd >= ssthresh 时，使用“拥塞避免算法”。

拥塞避免

规则：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1。
拥塞避免算法就是将原本慢开始算法的指数增长变成了线性增长。就这么一直增长着后，防止网络突然进入拥塞。当触发了重传机制，也就进入了“拥塞发生算法”。

拥塞发生

当触发 TCP 重传机制时，就视为拥塞发生。TCP 的重传包括“超时重传”和“快速重传”，两种重传表示两种不同的网络情况，对应的也有两种拥塞控制手段。

超时重传

当发送方未在规定时间内接收到 ACK 确认包时，就会超时重传。每当遇到一次超时重传的时候，都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁反复发送。
当发生“超时重传”，就会使用拥塞发生算法，重新进入慢启动阶段。
这个时候，ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化：
ssthresh 设为 cwnd/2；
cwnd 重置为初始值；

快速重传

快速重传不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。如果接收方收到一个失序的报文段，就即回送一个 ACK 给发送方。快速重传就是当收到三个相同的 ACK 报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段。
当发生“快速重传”，TCP 认为这种情况不严重，就会启动快恢复算法，ssthresh 和 cwnd 也会发生变化
cwnd = cwnd/2 ;
ssthresh = cwnd;
进入“快恢复算法”；

快恢复

拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （ 3 的意思是已经确认收到了 3 个重复的数据包）；
重传丢失的数据包；
如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1（1 代表每个收到的重复的 ACK 包，都已经离开了网络。）
如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入“拥塞避免”状态。

补充

快恢复是拥塞发生后慢启动的优化，其首要目的仍然是降低 cwnd 来减缓拥塞，所以必然会出现 cwnd 从大到小的改变。
快恢复算法会重传丢失的数据包，但如果此时再次发生“快重传”，就不会再使用“快恢复算法”，而会直接进入“慢开始”阶段。

最后

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