计算机网络之TCP协议流量拥塞控制算法原理：滑动窗口cwnd与rwnd

Posted 2021-05-29 一口Linux

一、前言

  这篇博客来讲讲TCP的拥塞控制机制，这是TCP中比较复杂的一个部分，它与TCP的很多内容都有关联，但是这里不可能将这些内容都说一遍，所以以下描述将建立在读者对TCP的机制有一定了解的基础之上。这一部分内容确实有些复杂，我尽量在少涉及TCP其他内容的条件下将它叙述清楚。

 

二、正文

 2.1 什么是拥塞控制

  我们都知道，网络错综复杂，在这个复杂的网络中，很少有两台主机是直接相连。尽管如此，我们还是可以通过网络与其他主机通信，这是为什么？因为我们发送到网络中的数据，当达到网络中的一个节点时（假设是路由器），它会根据数据包含的地址，帮我们将数据转发到离目的地更近的路由器，或直接转发到目的地。但是，这些路由器不是直接就可以转发的，它们需要先将接收到的数据放入自己的内存（可能还要做一些处理），再从中取出进行转发。

  这里就面临一个问题：路由器的内存是有限的，若同一时间到达某个路由器的数据太多，这个路由器将无法接收所有的数据，只能将一部分丢弃；或者同一台路由器数据太多，后面到达的数据将要等待较长的时间才会被转发。网络中的数据太多，导致某个路由器处理不过来或处理地太慢，这就是网络拥塞。若是对于TCP这种有重传机制的传输协议，当发生数据丢失时，重传数据将延长数据到达的时间；同时，高频率的重传，也将导致网络的拥塞得不到缓解。拥塞控制，就是在网络中发生拥塞时，减少向网络中发送数据的速度，防止造成恶性循环；同时在网络空闲时，提高发送数据的速度，最大限度地利用网络资源。说的简单点，就和堵车差不多，路就这么宽，来的车多了，自然过的就慢，所以在必要的时候要限号。

 

 2.2 拥塞控制的方法

  在理论中，拥塞控制有两种实现方式：

• 端到端拥塞控制：在这种拥塞控制方法中，由发送数据的端系统自己来判断是否拥塞，然后调整传输速率。比如说发送的数据已经超时却还没有接收到确认报文，数据往返时延过高，接收到对同一个数据段的重复确认......都可以认为是网络拥塞的现象；若发送端检测到这种现象，就应该降低发送数据的速率，若没有，则可以慢慢提高速率；
• 网络辅助的拥塞控制：由网络中的路由器来告诉发送方，网络的拥塞情况。一般有两种方式：（1）路由器直接向发送端发送报文，告知网络拥塞情况；（2）路由器更改数据段中的某个标志，来提示网络中的拥塞情况，然后数据将这个标志携带到目的主机，再由目的主机根据这个标志，向发送端发送报文，告知拥塞情况（被包含在确认报文中）；

 

 2.3 TCP的拥塞控制方法

  因为网络层不会提供拥塞的反馈信息，所以TCP协议采用的是第一种方式——自己判断网络的拥塞情况。当TCP检测到网络拥塞，则降低数据的发送速率，否则增加数据的发送速率。这里就将面临三个问题：

1. TCP如何限制数据的发送速率；
2. TCP如何检测网络中是否拥塞；
3. TCP采用什么算法来调整速率（什么时候调整，调整多少）；

  首先来回答第一个问题。了解TCP的应该知道，TCP不是发送一个数据段，接收到确认后再发送另一个数据段，它采用的是流水线的方式。TCP的每一个数据段都有一个序号，而TCP维护一个发送窗口来发送是数据，这个窗口就是一个区间。所有序号位于这个窗口内的数据段都会被一次性发送，而不需要等待之前发送的数据段被确认。而每当最早发送出去的数据段被确认，窗口就会向前移动，直到移动到第一个没有被确认的序号，这时候又会有新的数据段序号被包含在窗口中，然后被发送出去。所以限制数据发送速率最好的方式就是限制窗口的大小。在发送方的TCP程序会跟踪和维护一个叫做拥塞窗口的变量，用来进行拥塞控制。拥塞窗口被称为cwnd。在TCP发送端，所有被发送但是还没收到确认的数据段必须落在这个窗口中，所有，当网络拥塞时，TCP程序将减小cwnd，而网络通畅时，增大cwnd，以此来控制数据发送的速率。

  接着来回答第二个问题。TCP程序将通过数据发送的一些现象来推测网络是否拥塞，比如：

• 若发送一条数据段后，成功接收到了接收方的确认报文，则可以认为网络没有拥塞；
• 若发送出一条数据段后，在规定时间内没有收到确认报文（丢失或时延太大），则可以认为网络出现了拥塞；
• 若连续收到接收方对同一条报文的三次冗余确认（也就是四次确认），则可以推测那条报文丢失，即发生了拥塞；

  上面的第三种情况，与TCP的快速重传机制有关，我这里不详细说明，只是大致介绍一下。TCP无法保证数据能够按顺序到达接收端，所以，可能出现序号靠后的数据报反倒先到达的情况。而TCP接收方并不是接收到哪一条报文，就向发送方发送哪条报文的确认，它是通过发送当前应该接收到的序号最小的报文进行确认。举个例子：

1. 发送方同时发送了1，2，3，4，5这五个序号的报文，假设接收方接收到序号1的报文，于是将向发送方发送一个确认号为2的确认报文（TCP发送方通过确认号来判断接收方接收到的报文），告诉发送方我已经收到2之前的报文了，下一条报文我想要2；
2. 接收方接收到2号报文后，发送确认号3，告诉发送方我接收到了3之前的所有报文；
3. 这时候因为网络的不确定性，在3号没有到达前，4号报文先到达了，接收方接收到后，将它放入缓存，并依旧回复确认号3，表示它需要的是3号报文；
4. 可是，之后到达的却5，于是它将5放入缓存，并依旧回复3；
5. 直到3迟迟的到来，这时候接收方接收3，同时发现缓存中存在4和5，于是回复发送方确认号6，表示自己已经接收到了6之前的全部报文，下一条需要6；

  在这里，发送方一共接收到了三条确认号为3的确认报文（确认号为3是对2号报文的确认），第一条正常，后面两条冗余。而所谓的快速重传就是指：若发送方接收到对同一条报文的三次冗余确认（也就是四次确认），就认为这条报文的下一条已经丢失，于是不管计时器是否超时，都直接重传这条报文的下一条。上面的例子中，2号报文被冗余确认了两次，还不构成快速重传的条件。而为什么是三次，其实就是概率和时间长短的折中选择。

  下面回到正题，当快速重传的条件发生，发送方将认为出现了拥塞导致丢包。所有归根到底，TCP判断拥塞的方式就是检测有没有丢包。于是我们就可以回答第三个问题了，TCP如何调整发送速率——在没有丢包时慢慢提高拥塞窗口cwnd的大小，当发生丢包事件时，减少cwnd的大小。当然，具体的算法要复杂的多，TCP调整拥塞窗口的主要算法有 慢启动 ， 拥塞避免 以及 快速恢复，其中前两个是TCP规范要求必须实现的，而第三个则是推荐实现的，TCP根据情况在这三者之间切换。 下面我就来一一介绍。

 

 2.4 慢启动

  在讲解之前，首先得知道一些名词：

• MSS：最大报文段长度，TCP双方发送的报文段中，包含的数据部分的最大字节数；
• cwnd：拥塞窗口，TCP发送但还没有得到确认的报文的序号都在这个区间；
• RTT：往返时间，发送方发送一个报文，到接收这个报文的确认报文所经历的时间；
• ssthresh：慢启动阈值，慢启动阶段，若cwnd的大小达到这个值，将转换到拥塞避免模式；

  慢启动是建立TCP连接后，采用的第一个调整发送速率的算法（或叫模式）。在这个阶段，cwnd通常被初始化为1MSS，这个值比较小，在这个时候，网络一般还有足够的富余，而慢启动的目的就是尽快找到上限。在慢启动阶段，发送方每接收到一个确认报文，就会将cwnd增加1MSS的大小，于是：

• 初始cwnd=1MSS，所以可以发送一个TCP最大报文段，成功确认后，cwnd = 2MSS；
• 此时可以发送两个TCP最大报文段，成功接收后，cwnd = 4 MSS；
• 此时可以发送四个TCP最大报文段，成功接收后，cwnd = 8 MSS......

  由于TCP是一次性将窗口内的所有报文发出，所以所有报文都到达并被确认的时间，近似的等于一个RTT（记住这个结论，后面所述的RTT都是基于这个结论）。所以在这个阶段，拥塞窗口cwnd的长度将在每个RTT后翻倍，也就是发送速率将以指数级别增长（所以不要被慢启动这个名字误导了）。那这个过程什么时候改变呢，这又分几种情况：

• 第一种：若在慢启动的过程中，发生了数据传输超时，则此时TCP将ssthresh的值设置为cwnd / 2，然后将cwnd重新设置为1MSS，重新开始慢启动过程，这个过程可以理解为试探上限；
• 第二种：第一步试探出来的上限ssthresh将用在此处。若cwnd的值增加到>= ssthresh时，此时若继续使用慢启动的翻倍增长方式可能有些鲁莽，所以这个时候结束慢启动，改为拥塞避免模式；
• 第三种：若发送方接收到了某个报文的三次冗余确认（即触发了快速重传的条件），则进入到快速恢复阶段；同时，ssthresh = cwnd / 2，毕竟发生快速重传也可以认为是发生拥塞导致的丢包，然后cwnd = ssthresh + 3MSS；

  以上就是慢启动的过程，下面来介绍拥塞避免。

 

 2.5 拥塞避免

  刚进入这个模式时，cwnd的大小近似的等于上次拥塞时的值的一半（这是由进入这个模式的条件决定的），也就是说当前的cwnd很接近产生拥塞的值。所以，拥塞避免是一个速率缓慢且线性增长的过程，在这个模式下，每经历一个RTT（请注意2.4中有关RTT的结论），cwnd的大小增加1MSS，也就是说，假设cwnd包含10个报文的大小，则每接收到一个确认报文，cwnd增加1/10 MSS。这个线性增长的过程什么时候结束，分为两种情况：

• 第一种：在这个过程中，发生了超时，则表示网络拥塞，这时候，ssthresh 被修改为cwnd / 2，然后cwnd被置为1MSS，并进入慢启动阶段；
• 第二种：若发送方接收到了某个报文的三次冗余确认（即触发了快速重传的条件），此时也认为发生了拥塞，则，ssthresh 被修改为 cwnd / 2，然后cwnd被置为ssthresh + 3MSS，并进入快速恢复模式；

  我们可以看到，慢启动和拥塞避免在接收到三个冗余的确认报文时，处理方式是一样的：判断发生了拥塞，并减小ssthresh 的大小，但是cwnd的大小却不见得有减小多少，这一点让人疑惑。我个人认为是这样，虽然发送方通过接收三次冗余确认报文，判断可能存在拥塞，但是既然可以收到冗余的确认报文，表示拥塞不会太严重，甚至已经不再拥塞，所以对cwnd的减小不是这么剧烈。

 

 2.6 快速恢复

  快速恢复和上面两种模式不太一样，这种模式在TCP规范中并没有强制要求实现，只是一种推荐实现的模式。在快速恢复阶段，每接收到一个冗余的确认报文，cwnd就增加1MSS，其余不变，而当发生以下两种情况时，将退出快速恢复模式：

• 第一种：在快速恢复过程中，计时器超时，这时候，ssthresh 被修改为 cwnd / 2，然后cwnd被置为1MSS，并进入慢启动阶段；
• 第二种：若发送方接收到一条新的确认报文（不是冗余确认），则cwnd被置为ssthresh，然后进入到拥塞避免模式；

  这里有一个疑问，进入到此模式的条件就是接收到三次冗余的确认报文，判断报文丢失，那为什么再次接收到冗余确认报文时，cwnd还是要增长呢？我搜遍网上博客，只在一篇博客中找到一种说法，我认为还是有一定道理的：此时再次收到一条冗余的确认报文，表示发送端发出的报文又有一条离开网络到达了接收端（虽然不是接收端当前想要的一条），这说明网络中腾出了一条报文的空间，所以允许发送端再向网络中发送一条报文。但是由于当前序号最小的报文丢失，导致拥塞窗口cwnd无法向前移动，于是只好将cwnd增加1MSS，于是发送端又可以发送一条数据段，提高了网络的利用率。

 

 2.7 三种模式相互转换状态图

  下面给出一张三种模式互相转换的状态图，途中箭头上的是转换的条件，条件有上下两部分，横线上方的是上面事件引起的转换，而下方是转换时发生的操作。

 

 

三、总结

  拥塞控制应该是TCP中相对比较复杂的一个部分了，理解起来不是那么容易。在写这篇博客之前，对于上面所说的三种模式，我只知道具体的流程，却有很多地方不清楚为什么要这么做。但是在写这篇博客时，反复阅读书本，找博客阅读的过程让我对慢慢理解了它们的意图。这就是我写博客的理由，通过复述，来加深自己的理解，同时也希望这篇博客对看到的人有所帮助。

 

四、参考

• 《计算机网络——自顶向下方法（原书第七版）》
• https://blog.csdn.net/jeason29/article/details/50427397/