TCP-5-拥塞控制

TCP/IP Comments

引言

有了流量控制为什么还要有拥塞控制？

流量控制是避免 发送方 的数据填满 接收方 的缓存。

在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大…. 所以，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量。

拥塞控制 是避免 发送方 的数据填满整个网络。 在 发送方 调节所要发送数据的量，定义了 拥塞窗口

拥塞窗口和发送窗口有什么区别？

拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个 的状态变量，会根据网络的拥塞程度动态变化的。 前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系，加入拥塞窗口概念后，发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，即拥塞窗口和接收窗口中的最小值。

拥塞窗口 cwnd 变化的规则：只要网络中没有出现拥塞， cwnd 就会增大； 但网络中出现了拥塞， cwnd 就减少；

怎么知道网络出现了阻塞？

只要 发送方 没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文，也就是发生了超时重传，就认为网络 出现了拥塞。

拥塞控制主要是四个算法：

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

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，如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？

慢启动的算法记住一个规则就行：当发送方每收到一个 ACK，就拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1。

假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等，下面举个栗子：

  • 连接建立完成后，一开始初始化 cwnd = 1 ，表示可以传一个 MSS 大小的数据。
  • 当收到 1 个 ACK 确认应答后，cwnd 增加 1，于是一次能够发送 2 个
  • 当收到 2 个的 ACK 确认应答后，cwnd 增加 2，于是就可以比之前多发2 个，所以这一次能够发送 4 个
  • 当收到 4 个的 ACK 确认到来的时候，4 个确认 cwnd 增加 4，于是就可以 比之前多发 4 个，所以这一次能够发送 8 个

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可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长。

那慢启动涨到什么时候是个头呢？

有一个叫慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）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

当拥塞窗口 cwnd >= ssthresh 慢启动门限 就会进入拥塞避免算法

一般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节 = 2^16 - 1

那么进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd

接上前面的慢启动的例子，现假定 ssthresh 为 8 ：

  • 当 8 个 ACK 应答确认到来时，每个确认增加 1/8，8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1，于是这一次 能够发送 9 个 MSS 大小的数据，变成了线性增长

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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，还是增长阶 段，但是增长速度缓慢了一些。 就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需要对丢失 的数据包进行重传。 当触发了重传机制，也就进入了 拥塞发生算法

拥塞发生

当网络出现拥塞，也就是会发生数据包重传，重传机制主要有两种：

  • 超时重传
  • 快速重传

发生超时重传则就会使用拥塞发生算法。 这个时候，sshresh 和 cwnd 的值会发生变化：

  • ssthresh 设为 cwnd/2
  • cwnd 重置为 1

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接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的。这真是一旦超时重传 ，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿。

还有更好的方式 快速重传算法：

当接收方发现丢了一个中间包的时候，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传。 TCP 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

  • cwnd = cwnd/2 设置为原来的一半;
  • ssthresh = cwnd 进入快速恢复算法

快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用，快速恢复算法是认为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也 不那么糟糕，所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。

进入快速恢复之前， cwnd 和 ssthresh 已被更新了：

  • cwnd = cwnd/2 ，设置为原来的一半
  • ssthresh = cwnd

然后进入快速恢复算法如下：

  • 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （ 3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）
  • 重传丢失的数据包
  • 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1
  • 如果收到新数据的 ACK 后，设置 cwnd 为 ssthresh，接着就进入了拥塞避免算法

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也就是没有像 超时重传 一夜回到解放前，而是还在比较高的值，后续呈线性增长