4-8：TCP协议之拥塞控制（慢启动拥塞避免拥塞发生和快速恢复）

Posted 2021-08-29 快乐江湖

文章目录

• 一：为什么需要拥塞控制
• 二：拥塞窗口
• 三：如何知道当前网络是否出现拥塞
• 四：拥塞控制算法详解
• • （1）慢启动
  • （2）拥塞避免
  • （3）拥塞发生
  • • A：发生超时重传时的拥塞发生算法
    • B：发生快速重传时的拥塞发生算法
  • （4）快速恢复
• 五：拥塞算法完整示意图

本文大部分内容来自小林coding《图解网络》，感谢分享，简单整理。

一：为什么需要拥塞控制

自开始接触TCP以来我们一直把目光集中在的发送方和接收方这两个点上，并不关心网络传输中发生了什么。但是计算机网络是很复杂，所处的环境十分繁杂，有的时候会因为其他主机之间的通信而变得网络拥堵

在网络出现拥堵的时候，如果继续发送大量数据包，极有可能导致数据包时延、丢失等，这时TCP就要重传数据，但是一重传反而又加剧了网络的负担，是一个恶性循环

因此TCP作为一个可靠的协议，不能忽略网络中的事情，应该被设计成一个有情商的协议，网络堵塞少发点，网络畅通正常发。于是TCP的拥塞控制就是避免发送方的数据填满整个网络

拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案.

二：拥塞窗口

拥塞控制cwnd是发送方维护的一个状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化
前面讲到的发送窗口swnd和接受窗口rwnd是约等于的关系，这里由于加入了拥塞窗口，因此swnd=min(cwnd,rwnd)

拥塞窗口变化规则

• 网络中没有出现拥塞-cwnd就会增大
• 网络中出现了拥塞-cwnd就会减少

每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小作比较，取较小值作为实际发送的窗口

三：如何知道当前网络是否出现拥塞

其实道理很简单，只要发送方没有在规定时间内接受到ACK报文，也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞

四：拥塞控制算法详解

主要是四个算法

• 慢启动
• 拥塞避免
• 拥塞发生
• 快速恢复

（1）慢启动

TCP在刚建立完连接后，首先有一个慢启动的过程。也就是一点一点的提高发送数据包的数量，其实也很好理解，如果一上来就大量发送数据，这岂不是给网络添堵吗

慢启动算法规则：当发送方每收到一个ACK，拥塞窗口cwnd大小+1

如下图，假定拥塞窗口cwnd和发送窗口swnd相等

• 连接建立完成后，一开始初始化cwnd为1，表示可以传一个MSS大小的数据
• 当收到一个ACK确认应答后，cwnd增加1，于是一次可以发送2个
• 当收到2个ACK时，cwnd曾家2，于是这次可以发送4个
• 当4个都到来时，每个cwnd增加一个，那么这次就可以发送8个

可以看出慢启动算法，发送数据包的数量是呈现指数级的增长的，当超过某个阈（慢启动阈值）值时，按照线性方式增长

其中这个阈值就是ssthresh(slow start threshold)

• 当cwnd>ssthresh时，使用慢启动算法
• 当cwnd>=ssthresh时，使用拥塞避免算法

（2）拥塞避免

前面说过，当拥塞窗口cwnd超过慢启动门限ssthresh时就会进入拥塞避免算法。
一般来说，ssthresh=65535字节

拥塞避免算法规则：每收到一个ACK时，cwnd增加1/cwnd
接上面的例子，如下图

• 当8个ACK到来时，每个确认增加1/8，8个ACK于是cwnd一共增加1，于是这一次可以发送9个MSS大小的数据，变为了线性增长

因此拥塞避免算法将原本慢启动算法的指数级增长变为了线性增长，因此增长速度变得缓慢了很多。

虽然速度变慢了，但是毕竟一直在增长，所以网络就会慢慢进入拥塞的状态，也就会产生丢包，这时就需要对丢失的数据包进行重传

当触发重传时，进入拥塞发生算法

（3）拥塞发生

当网络出现拥塞，发生数据包重传，重传主要有两种

• 超时重传
• 快速重传

这两种重传使用的拥塞发生算法是不同的。

A：发生超时重传时的拥塞发生算法

这个时候，ssthresh和cwnd的值会发生变化

• ssthresh设为cwnd/2
• cwnd重置为1

如上图，发生超时重传就意味着“一夜回到解放前”，之后就重新开始了慢启动。这种方式很明显太激进了，几乎是戛然而止，会造成网络卡顿，就类似于正在秋明山上飘逸，突然来一个急刹车。

B：发生快速重传时的拥塞发生算法

快速重传算法是当接收方发现丢了一个中间包时，发送三次前一个包的ACK，于是发送单就会快速重传，不必等待超时再重传。

TCP认为这种情况不严重，因为大部分没有丢失，于是ssthresh和cwnd变化如下

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

（4）快速恢复

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

因此首先

• cwnd=cwnd/2
• ssthresh=cwnd

然后进入快速恢复

• 拥塞窗口cwnd=ssthresh+3（意思是确认有3个数据包收到了）
• 重传丢失的数据包
• 如果再收到重复的ACK，那么cwnd+1
• 如果收到新数据的ACK后，就把cwnd设置为第一个中的ssthresh的值，原因是该ACK确认了新的数据，说明从duplicated ACK的数据都已经收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也就是再次进入拥塞避免状态。
  

五：拥塞算法完整示意图

如下图是一个比较经典的拥塞算法的过程图