TCP核心概念-慢启动，ssthresh，拥塞避免，公平性的真实含义

Posted 2021-01-30 ksiwnhiwhs

本文主要阐述TCP拥塞控制中ssthresh的来历以及为什么拥塞避免探测到丢包的时候，ssthresh会被设置为当前窗口的一半。
进入证实内容之前，不得不再次吐槽！目前在网上搜的，任何资料上看的，甚至RFC上，都没有讲明白到底什么是ssthresh，它的值有什么讲究，几乎所有的资料都是在说，如果窗口大于ssthresh，那么就执行线性增窗的拥塞避免阶段，否则执行慢启动...这让几乎所有人记住了这个结论，并且在长期被洗涤之后，很多人对这个不知所以然的事实却表现的不以为然，其实也包括我自己。因此当我明白了ssthresh到底是怎么一回事的时候，当我知道了丢包后ssthresh的1/2系数与公平性之间的关系的时候，我便迫不及待地想把这些东西分享出来！

TCP数据段填满端节点之间的网络

假设端系统A和B之间在进行TCP通信，那么只要A和B之间存在空间距离，由于光速的传播时延，一定意味着A和B之间存在一定的容量，可以容纳若干的数据段，你可以将其想做是一般的缓存，另外，为了更具普遍性，我们认为A和B之间的所有路由器，交换机等中间节点的队列缓存，也包含在A和B的网络缓存之中。如下图所示：

 

 

为了达到最高的网络利用率，我们希望A和B之间的缓存(包括节点队列以及网络本身)中完全充盈着TCP的数据段，并且是持续维持。

TCP数据段无间隙地持续流动

如上图所示，当A，B之间的网络被填满时，A和B之间一共有N个数据段，发送端还可以继续发送数据吗？事实上是可以的，因为在网络被填满之后，发送端每发送一个数据段，接收端同时也会消费掉一个数据段，同时发出一个ACK，直到填满A，B间网络的那个数据段的ACK到达发送端为止，依照假定，ACK的速率和数据段的速率一致，我们算一下，发送端一共可以持续发送2*N个数据段，这2*N个数据段发送的开始时间点是第1个数据段发送的时间，结束时间点是第一个数据段的ACK回到发送端的时间，正好是一个RTT，设发送速率为r，那么以下的等式显而易见：
2*N = r*RTT
过程如下图所示：

 

 

我们还可以看到，前N个段是为了填满A，B之间的网络，后N个段是在“A，B之间已经满载的情况下”TCP的ACK clock驱动的pacing。紧随着这2*N个数据段的是一个新的周期，又是一个RTT内2*N个数据段，这就是理想情况下的情景，数据段充盈着网络，不间断地源源不断从发送端发出，ACK亦不间断地从接收端返回。

两个区域(safe & dangerous)

我其实不想现在就把谜底揭穿，但是我也不想卖关子，毕竟现在也不早了。
请注意上图中的t28这个时间点，在t28之前，A和B之间并不总是被充满，而在t28之后，却总是满的。这意味着，t28之前的数据段是可以缓冲的，即网络中还存在一些空闲的空间可以提供给数据进行缓冲，从而不至于数据被丢弃，然而在t28之后，网络满载了，我们看到没有丝毫的空白区域可供数据包缓冲，这意味一旦发生拥塞，数据包必然丢失！
显而易见，t28之前是安全的，而t28之后则是危险的，这就是safe area和dangerous area的由来！划分二者的是什么？正是网络的容量！在上述图示的例子中，就是4！当Flight的数据段小于4的时候，意味着可以激进的传输，当Flight数据一旦越过4，就必须保守传输了！
        何谓激进？何谓保守？激进就是可以让窗口最快的速度增加到safe和dangerous的边界，由于TCP由ACK来驱动，只要收到一个ACK，就意味着通道是畅通的，窗口就可以递增一个MSS，而所谓的保守就是，必须等待当前窗口的数据全部都被ACK了之后，说明刚才发送的数据是可以到达对端的，此时才能将窗口增加一个MSS。现在来总结以下两个区域的增窗方式：
safe区域：

 

 

dangerous区域：

 

 

我们来比对一下窗口在这两个区域时的特性，如果说安全区域的目标是填满网络的话，那么在安全区域我们已知的是网络并未被填满，此时只要有ACK到来就可以增窗，直到网络被填满，现在我们来看危险区域，此时我们已知的事实是网络已经满了，我们希望让它继续满下去，能满则保持，提高网络的利用率，我们知道TCP的发送窗口(即可以发送多少数据)是ACK驱动的，ACK就像时钟一样，我们希望数据可以持续发送以保持网络满载，就要保证ACK源源不断地到来，因此在这个阶段继续发送数据的目标仅仅是为了消除ACK时钟的空白期，或者称作停摆期，因为只有这样，源源不断的ACK才能驱动数据源源不断地被发送。
        回过头来再看一下增窗过程图的t20这个时间点，网络被4，5，6，7这四个数据包已经充满，但是在下一个时刻t21，随着4被接收，由于没有到达的ACK，网络被清空了1个MSS，理论上，我们知道最终的窗口肯定就是2*N，此例中，N就是4，在例子中，最终也确实窗口增加到了8，然而在现实中，拥塞随时都会发生，也就是说在窗口从4增加到8的期间，随时会发生丢包，这也就意味着窗口可能永远都增加不到8！那么我们怎么可以知道当前的窗口是合理的，然后尝试继续增加窗口呢？答案就是前一个窗口的数据全部被确认！这就是拥塞避免的由来，这个过程很慢，并不是设计的问题，而是它必须这么慢。拥塞避免这个名字非常好，确实在避免！
        理解了上面的描述，我们可以给出TCP管道的概念了，然后所有的真相就大白了。

TCP管道的概念

事实上，TCP管道包含两个部分，按照公式2*N=r*RTT，2*N便是管道的容量，这两部分的第一部分是网络被填满之前的容量，只要知道尚未被填满，尽情地填，使用慢启动足矣，第二部分是网络被填满之后的容量，完全按照ACK来驱动，采用拥塞避免方式探测窗口，理想情况下，理论上，这两部分的容量是相等的。因此，我们可以就可以知道事情的真相了。
问题1：N是什么？
答：N就是ssthresh！
问题2：为什么探测到拥塞后，ssthresh要下降为当前窗口的一半？
答：探测到拥塞说明管道的容量为当前窗口C，而C=2*N，因此N=(1/2)*C!
问题3：为什么在拥塞避免阶段要加性增？即AI
答：只有当一窗的数据被确认，才可以确保之前的窗口是有效的，毕竟网络已经塞满，而ACK有可能不对称返回，拥塞随时可能发生。
问题4：为什么乘性减？
答：见问题2.
问题5：慢启动阶段为什么可以指数级增窗？
答：因为此时可以确保窗口小于N，即网络还没有塞满，即便发生拥塞，也还有富余的缓存可用。
问题6：还有问题吗？
答：如果一切都如上那般美好，当然就没有问题了，问题是，ssthresh从来就没有估计准确过。

回到现实中的TCP

TCP在设计之处的愿景十分美好，然而现实世界并不是一个友好的世界，不过，TCP本身就是自适应的，它并没有规定ssthresh的值的大小，甚至都没有建议，它完全靠在TCP自行发现丢包或者拥塞后，以当前窗口的一半作为ssthresh的当前值，随着连接的继续，ssthresh也会动态调整，因为不管现实多么残酷，理想中的反馈系统总归是一个万物收敛的目标，那就是实际的带宽总是趋向于ssthresh的2倍的大小，令人惊讶的是，ssthresh就是依靠拥塞避免算法计算出来的。当然，随着TCP的发展，这个C=2*N=r*RTT经典公式也历经了诸多的变化形成了各种变体，比如cubic就不再以2作为ssthresh的系数来计算管道容量。

慢启动的hystatr优化

我们知道，ssthresh的设置是以丢包作为反馈信号的，现在问题是，连接刚刚建立的时候，没有丢包作为反馈信号的时候，如何来设置ssthresh？
一般而言，默认的实现都是将其设置为一个巨大的值，然后最快的速度历经一次丢包，然后设置ssthresh为丢包时窗口的一半，然后像ssthresh的2倍缓慢逼近。但是这会带来问题，由于没有ssthresh作为阈值限制，用丢包作为代价，太高昂。因此在慢启动过程中如果可以探测到ssthresh的值，那就可以随时退出慢启动状态了。那么我们如何来探测呢？
还是C=2*N=r*RTT这个公式，关键看看我们怎么使用它。由于我们只是探测网络被塞满时的情况，即N的值，因此：
N=r*(RTT/2)
我们看看r是什么？所谓速率其实就是一定的事务量除以做这些事务的时间，如果说我们发出去了N‘个数据包，一共用了时间段T，那么：
r=N‘/T
代入后得到：
N=(N‘/T)*(RTT/2)
理想情况下，在毕竟网络容量的时候，N=N‘，那么就可以很简单得到T等于RTT/2的时候，就说明达到了ssthresh，该退出慢启动了！
那么如何来实现它呢？由于我们无法单独探测N个数据段到达接收端并计时，我们可以变相等价使用ACK来计算，以一个窗口的第一个数据段作为计时开始Tstart，每收到一个ACK即更新以下数值：
RTTmin：采样周期内最小的RTT，以最大限度地表示A和B之间的理想往返时延。
Tcurr：当前时间
如果下列条件成立，则可以退出慢启动了：
Tcurr - Tstart >= RTTmin/2
非常简单易懂。然而现实并不是理想的，大多数情况下，以上的算法并没有带来比较好的效果，为什么呢？因为整个带宽不是一个TCP连接独享的，而是全世界的所有TCP连接甚至包括UDP共享的，因此以上的公式基本上无法表示任何真实的情况，所以实际当中，更倾向于使用RTT来预估网络已经被塞满。使用RTT来估算网络容量ssthresh更加实际一些，因为它充分考虑了拥塞时的排队延时，因此在该方法下，退出慢启动的条件便成了：
Tcurr_rtt > RTTmin + fixed_value

以上旨在解决首次慢启动在还没有ssthresh值的时候预测ssthresh的方式，其实在此后的任何时候，只要是慢启动，都可以用以上的算法来预测当前的ssthresh，而不是说必须要用拥塞算法给出的ssthresh或者说仅仅是1/2丢包窗口(虽然你已经看到，这个1/2是多么地合理！)

ssthresh的快速穿越问题

我们知道，慢启动的时候，增窗速度非常快(基本就是根据ACK的反馈，将数据段翻倍突突出去的)，那么在窗口增加到接近到仍然小于ssthresh的时候，会出现如下图所示的情况：

 

 

然而这在实现中是不易发生的，是什么限制住它的发生呢？以下几点：

1.TCP的延迟确认机制最多只能延迟2个MSS

慢启动增窗，收到一个ACK递增1个MSS，即便在使用ABC的时候，也就是说窗口最多只能超越ssthresh 2个MSS，这是由下述代码保证的：

if (sysctl_tcp_abc > 1 && tp->bytes_acked >= 2*tp->mss_cache)
	cnt <<= 1;

2.即便发生了ACK大量丢失，TCP的默认实现也是数ACK的个数，而不是数被ACK的字节数

3.发生大量ACK丢失又启用ABC时，见方法1.

4.两段处理方式

Linux的4.x版本内核中默认使用ACK的字节数来计数增窗值(ABC方案)，在穿越ssthresh的时候，TCP拥塞控制逻辑会将被ACK的字节数分为两个部分，ssthresh以下的部分用来计数慢启动，而ssthresh以上的部分用来计数拥塞避免。综上所述，下图总结了ssthresh穿越的情况：

AIMD的公平性收敛

为了简单起见，我们假设有TCP1和TCP2两个连接共享一个链路，现在看它们是怎么“收敛到公平”的，下面的图示清晰显示了一切：

 

 

如果你看不懂这个图，请自行google。我们可以肯定，在公平线的下方，红色的减窗线的斜率是恒小于公平线(斜45度角)的斜率的，两个链接的每一次降窗，其降窗线的斜率都会越来越接近公平线的斜率，即收敛到公平，最终，它将在绿色粗线上震荡，永葆公平(虽然利用率不是那么高！)。

        我们还可以看到，TCP1和TCP2是等比例降窗的，在此例中比例是0.5，它们非得是0.5吗？非也！只要保持等比例，图中的注解1就永远成立，最终的收敛也会永远成立，不同的仅仅是最终收敛额绿色粗线的长度和范围！虽然说按照最初的Reno TCP，保持0.5的降窗比例是多么得合理(见上述推论)，然而考虑到现实的复杂情况，比例不再是0.5也是合理的。
         现在我们来看看如果TCP1和TCP2的降窗比例不同会怎样。假设TCP2降窗依然为0.5的比例，而TCP2则小于0.5，那么上图将会变成下面的样子：

 

 

我们可以看到，竞争者中降窗比率最小的将会最终抢占几乎所有的带宽，它会将所有的其它连接的带宽逐渐往左上角挤兑，最终归零。这么说来，如果想让自己的TCP具有侵略性，减少降窗比率是不是就可以了呢？没这么这简单！要知道，我上面的两幅图有一个共同的前提，那就是竞争者的RTT是相等的！但是现实中，会这样吗？？非常难！如果RTT相等，比如它们的源头和目标都在同一个地点，那么它们十有八九是合作关系，而不是竞争！爆炸！

        那么，RTT将会是一个十分重要的角色！确实是这样，实际的TCP在运行中，RTT的波动非常大，这就几乎将我上面的论述全部推翻了，显然很令人心碎！然而，上述的分析作为一个理论模型还是有意义的，它起码让你理解了TCP的本质行为。至于说实际情况，RTT的波动是一个有意义的信号，它让端系统看到了中间路由器交换机的排队行为，因此会出现RTT所谓的“噪点”，很多人想除掉它们，平滑掉它们，但是这同时也意味着你屏蔽了重要的信号。
        RTT的波动非常具有动感且性感，它用数值表征了整个排队理论，或者你可以推出马尔科夫到达过程，或者你只是觉得它们是令人难过的噪点...于是，现实中的TCP几乎完全改进了Reno的指导，除了Reno几乎没有什么拥塞算法在发现丢包时把ssthresh降为当前窗口的一半。这就是TCP的进化，但是这种进化始终围绕着一个内核，这个内核就是我上面说的这些，简单，易懂，然而却令人惊讶的东西。

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