拥塞算法

Posted 2023-05-12

参考技术A 基于包丢失检测的 Reno、NewReno 或者 cubic 为代表，其主要问题有 Buffer bloat 和长肥管道两种。和这些算法不同，bbr 算法会以时间窗口内的最大带宽 max_bw 和最小 RTT min_rtt，并以此计算发送速率和拥塞窗口

RTProp : round-trip propagation time BtlBW : bottleneck bandwidth，bbr 算法关于拥塞窗口的核心就是计算 BtlBW 和 RTprop，根据这两者值计算 BDP

bbr 算法输出 pacing_rate 和 cwnd 两个数据。pacing_rate 决定发包速率，cwnd 为窗口大小

TCP Tahoe 和 Reno

这两个算法是根据其第一次加入到4.3BSD的时间回溯命名的，两个名字对应自其第一次出现时BSD的代号，而代号分别取自太浩湖（Lake Tahoe）和其附近的城市里诺市

• Tahoe：如果收到三次重复确认——即第四次收到相同确认号的分段确认，并且分段对应包无负载分段和无改变接收窗口——的话，Tahoe算法则进入快速重传，将慢启动阈值改为当前拥塞窗口的一半，将拥塞窗口降为1个MSS，并重新进入慢启动阶段

• Reno：如果收到三次重复确认，Reno算法则进入快速重传，只将拥塞窗口减半来跳过慢启动阶段，将慢启动阈值设为当前新的拥塞窗口值，进入一个称为“快速恢复”的新设计阶段

Fast recovery

是Reno算法新引入的一个阶段，在将丢失的分段重传后，启动一个超时定时器，并等待该丢失分段包的分段确认后，再进入拥塞控制阶段。如果仍然超时，则回到慢启动阶段

TCP Vegas

至1990年代中期，TCP量度延迟和RTT都是以传输缓存中最后一个被传送的分段包为准。vegas通过度量传输缓存中每个传送分段包来代替只量度一个分段包，通过每次度量的平均值来增加拥塞窗口。该算法取名自内华达州最大的城市拉斯维加斯。不过由于一些资源公平性原因，该算法并没有在彼得森的实验室之外广泛部署。一些研究认为该算法和其他拥塞算法混合使用，可能会导致性能竞争不及其他算法。在各种TCP拥塞算法的比较研究中，Vegas被认为是最平滑的控制算法，其次为CUBIC

TCP New Reno

TCP New Reno是对TCP Reno中快速恢复阶段的重传进行改善的一种改进算法，其定义于RFC 6582，覆盖了原有在RFC 3782和RFC 2582的旧定义。

在Reno的快速恢复中，一旦出现3次重复确认，TCP发送方会重发重复确认对应序列号的分段并设置定时器等待该重发分段包的分段确认包，当该分段确认包收到后，就立即退出快速恢复阶段，进入拥塞控制阶段，但如果某个导致重复确认的分段包到遇到重复确认期间所发送的分段包存在多个丢失的话，则这些丢失只能等待超时重发，并且导致拥塞窗口多次进入拥塞控制阶段而多次下降。而New Reno的快速恢复中，一旦出现3次重复确认，TCP发送方先记下3次重复确认时已发送但未确认的分段的最大序列号，然后重发重复确认对应序列号的分段包。如果只有该重复确认的分段丢失，则接收方接收该重发分段包后，会立即返回最大序列号的分段确认包，从而完成重发；但如果重复确认期间的发送包有多个丢失，接收方在接收该重发分段后，会返回非最大序列号的分段确认包，从而发送方继续保持重发这些丢失的分段，直到最大序列号的分段确认包的返回，才退出快速恢复阶段。

New Reno在低错误率时运行效率和“选择确认”（Selective ACKnowledgement，SACK）相当，在高错误率仍优于Reno

TCP Hybla

TCP Hybla旨在消除由于高延迟地面线路或者卫星无线链路下导致的RTT过长而对TCP链接的影响。它通过对拥塞窗口动态分析来修改，来减少对RTT的性能依赖

TCP BIC 和 CUBIC

TCP BIC（Binary Increase Congestion control）旨在优化高速高延迟网络（即根据RFC 1072所定义的“长肥网络”（long fat network，LFN））的拥塞控制，其拥塞窗口算法使用二分搜索算法尝试找到能长时间保持拥塞窗口最大值的值。Linux内核在2.6.8至2.6.18使用该算法作为默认TCP拥塞算法。

CUBIC则是比BIC更温和和系统化的分支版本，其使用三次函数代替二分算法作为其拥塞窗口算法，并且使用函数拐点作为拥塞窗口的设置值。Linux内核在2.6.19后使用该算法作为默认TCP拥塞算法

TCP Westwood和Westwood+

TCP Westwood改良自New Reno，不同于以往其他拥塞控制算法使用丢失来测量，其通过对确认包测量来确定一个“合适的发送速度”，并以此调整拥塞窗口和慢启动阈值。其改良了慢启动阶段算法为“敏捷探测（Agile Probing）”，和设计了一种持续探测拥塞窗口的方法来控制进入“敏捷探测”，使链接尽可能地使用更多的带宽。Westwood+使用更长的带宽估计间隔和优化的滤波器来修正Westwood对ACK压缩场景对带宽估计过高的问题。通过以上改良，TCP Westwood系列算法在有线网络和无线网络的拥塞控制上获取平衡，尤其研究中针对于无线通信网络上

Compound TCP

复合TCP（Compound TCP）是微软自己实现的TCP拥塞控制算法，通过同时维护两个拥塞窗口，来实现在长肥网络有较好的性能而又不损失公平性。该算法在Windows Vista和Windows Server 2008开始广泛部署，并通过补丁的方式回溯支持到Windows XP和Windows Server 2003。在Linux上也有一个旧版本的移植实现

TCP PRR

TCP PRR（TCP Proportional Rate Reduction ）是旨在恢复期间提高发送数据的准确性。该算法确保恢复后的拥塞窗口大小尽可能接近慢启动阈值。在Google进行的测试中，能将平均延迟降低3~10%，恢复的超时减少5%。PRR算法之后作为Linux内核3.2版本的默认拥塞算法

TCP BBR

TCP BBR（Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time）是由Google设计，于2016年发布的拥塞算法。以往大部分拥塞算法是基于丢包来作为降低传输速率的信号，而BBR则基于模型主动探测。该算法使用网络最近出站数据分组当时的最大带宽和往返时间来创建网络的显式模型。数据包传输的每个累积或选择性确认用于生成记录在数据包传输过程和确认返回期间的时间内所传送数据量的采样率。该算法认为随着网络接口控制器逐渐进入千兆速度时，与缓冲膨胀相关的延迟相比丢包更应该被认为是识别拥塞的主要决定因素，所以基于延迟模型的拥塞控制算法（如BBR）会有更高的吞吐量和更低的延迟，可以用BBR来替代其他流行的拥塞算法，例如CUBIC

QUIC Quick UDP Internet Connections

QUIC旨在提供几乎等同于TCP连接的可靠性，但延迟大大减少。它主要通过两个理解HTTP流量的行为来实现这一点：

第一个变化是在连接创建期间大大减少开销。由于大多数HTTP连接都需要TLS，因此QUIC使协商密钥和支持的协议成为初始握手过程的一部分。 当客户端打开连接时，服务器响应的数据包包括将来的数据包加密所需的数据。

QUIC使用UDP协议作为其基础，不包括丢失恢复。相反，每个QUIC流是单独控制的，并且在QUIC级别而不是UDP级别重传丢失的数据。这意味着如果在一个流中发生错误，协议栈仍然可以独立地继续为其他流提供服务

QUIC包括许多其他更普通的更改，这些更改也可以优化整体延迟和吞吐量

每个数据包是单独加密的，因此加密数据时不需要等待部分数据包。 在TCP下通常不可能这样做，其中加密记录在字节流中，并且协议栈不知道该流中的更高层边界。这些可以由运行在更上层的协议进行协商，但QUIC旨在通过单个握手过程完成这些

QUIC的另一个目标是提高网络切换期间的性能，例如当移动设备的用户从WiFi热点切换到移动网络时发生的情况。 当这发生在TCP上时，一个冗长的过程开始了：每个现有连接一个接一个地超时，然后根据需要重新创建。期间存在较高延迟，因为新连接需要等待旧连接超时后才会创建。 为解决此问题，QUIC包含一个连接标识符，该标识符唯一地标识客户端与服务器之间的连接，而无论源IP地址是什么。这样只需发送一个包含此ID的数据包即可重新创建连接，因为即使用户的IP地址发生变化，原始连接ID仍然有效

QUIC在应用程序空间中实现，而不是在操作系统内核中实现。当数据在应用程序之间移动时，这通常会由于上下文切换而调用额外的开销。 但是在QUIC下协议栈旨在由单个应用程序使用，每个应用程序使用QUIC在UDP上托管自己的连接

Chromium的网络堆栈同时打开QUIC和传统TCP连接，并在QUIC连接失败时以零延迟回退到TCP连接

TCP慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复

参考技术A

1. 慢启动
主机开发发送数据报时，如果立即将大量的数据注入到网络中，可能会出现网络的拥塞。慢启动算法就是在主机刚开始发送数据报的时候先探测一下网络的状况，如果网络状况良好，发送方每发送一次文段都能正确的接受确认报文段。那么就从小到大的增加拥塞窗口的大小，即增加发送窗口的大小。
初始cwnd(拥塞窗口)=1，慢启动算法每经过一个传输轮次（认为发送方都成功接收接收方的确认），拥塞窗口cwnd就加倍。

2. 拥塞避免
为了防止cwnd增加过快而导致网络拥塞，所以需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量，它的用法：

3. AIMD加法增大乘法减小
乘法减小：无论在慢启动阶段还是在拥塞控制阶段，只要网络出现超时，就是将cwnd置为1，sthresh置为cwnd的一半，然后开始执行慢启动算法
加法增大：当网络频发出现超时情况时，ssthresh就下降的很快，为了减少注入到网络当中的分组数，而加法增大是执行拥塞避免算法后，是拥塞窗口缓慢的增大，以防止网络过早出现拥塞。

4. 快重传
快重传算法要求首先接收方收到一个失序的报文段后立刻发出重复确认，而不要等待自己发送数据时才进行捎带确认
（捎带确认：发送数据帧的同时携带确认报文）

5. 快恢复
当发送发连续接收到三个确认时，就执行乘法减小算法，把慢启动开始门限（ssthresh）减半，但是接下来并不执行慢开始算法。
此时不执行慢启动算法，而是把cwnd设置为ssthresh的一半， 然后执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢增大。