TCP的拥塞控制

前言

本文为个人学习笔记的整理，其中很多借鉴了小林coding的图解网络。

为了避免发送方无节制地发送数据，从而造成网络拥堵，所以 TCP 设计了拥塞控制。

流量控制和拥塞控制的区别

• 流量控制是作用于接收者的，它是控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失的。

• 拥塞控制是作用于网络的，它是防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况。

拥塞窗口

拥塞窗口 cwnd（congestion window）是发送方维护的一个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。拥塞控制的本质就是使用算法控制拥塞窗口，从而避免过多的数据注入到网络。

但是其实真正决定传输速率的是发送方的滑动窗口大小，发送窗口 = min(拥塞窗口,接收窗口)

当发生了重传，就会认为网络出现了拥塞，拥塞窗口减小；否则拥塞窗口增大。

拥塞控制算法

拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复（这是官方定义的四大算法，但是个人认为不方便记忆和理解）。整体过程大约如下：

1. 在 TCP 连接建立完毕后，会先使用慢启动算法，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（slow start threshold）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，会使用拥塞发生算法：
   1. 发生超时重传，将 ssthresh 设为 cwnd/2，将 cwnd 设为初始值，然后会再次使用慢启动算法。
   2. 发生快速重传，使用快速恢复算法，然后进入拥塞避免阶段。

慢启动

TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程，这个慢启动的意思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。慢启动算法发包的个数是指数性的增长。

有一个叫慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）的状态变量。

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法。
• 当 cwnd >= ssthresh 时，就会使用「拥塞避免算法」。

拥塞避免

规则：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd。

拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长。就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，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。

快速重传的工作方式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，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

• cwnd = cwnd/2 ;
• ssthresh = cwnd;
• 进入快速恢复算法阶段

快速恢复

快速恢复算法如下：

• 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；

首先，快速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。
其次，过程2（cwnd逐渐加1）的存在是为了尽快将丢失的数据包发给目标，从而解决拥塞的根本问题（三次相同的 ACK 导致的快速重传），所以这一过程中 cwnd 反而是逐渐增大的。

TCP 拥塞控制算法也有很多个版本，最早的 TCP Tahoe，是没有快速恢复算法的，当发生快速重传时，也会进入慢启动过程。

这里说的是 TCP Reno，除此之外，还有很多版本进行了各自的优化。

另外，网上的许多资料都对快速恢复算法进行了简化，跳过了中间过程而直接进入到拥塞避免阶段。文中的详细过程可以参考 RFC2581文档。

扩展-快速恢复失败：快速恢复算法会重传丢失的数据包，如果此时再次发生快速重传，就不会再使用快速恢复，而会直接进入慢启动阶段。