TCP的拥塞控制

Posted 2021-02-08 xidian2014

拥塞控制：
计算机网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会变坏。这种情况就叫做拥塞。
拥塞控制就是防止过多的数据注入网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制是一个全局性的过程，和流量控制不同，流量控制指点对点通信量的控制。

流量控制：
流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接受。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制。TCP的窗口单位是字节，不是报文段，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。

进行拥塞控制的四种算法，即慢开始（Slow-start)，拥塞避免（Congestion Avoidance)快重传（Fast Restrangsmit)和快回复（Fast Recovery）。
慢开始算法:发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。
发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口，另外考虑到接受方的接收能力，发送窗口可能小于拥塞窗口。
慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。
当收到单个确认但此确认多个数据报的时候就加相应的数值。所以一次传输轮次之后拥塞窗口就加倍。这就是乘法增长。
为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下：
当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法。
当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。
当cwnd=ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意。

拥塞避免算法：
拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），
就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。

快重传：
快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。
快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

快恢复：
快重传配合使用的还有快恢复算法，有以下两个要点:
①当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。
②考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。

TCP报文段发送时机的选择：
TCP报文段发送时机主要有以下几种选择途径。
1）TCP维持一个变量，它等于最大报文段长度MSS，只要缓存中存放的数据达到MSS字节就组装成一个TCP报文段发送出去。
2）由发送方的应用程序指明要求发送报文段，即TCP支持的推送操作
3）是发送方的一个计时器期限到了，这时就把当前已有的缓存数据装入报文段发送出去。

拥塞控制和流量控制的差别：
所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能承受现有的网络负荷。
流量控制往往指的是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接受。

TCP中的确认应答机制:
在TCP中当发送端的数据达到接受主机时，接受主机端都会返回一个消息，告诉对方已经收到了。这个消息叫确认应答。发送确认应答时，TCP首部中的ACK标志位设1。TCP中的确认应答通过序列号和确认应答号来实现。

经受时延的确认应答：
为了降低确认应答包的数量，TCP提出了经受时延的确认应答。接受端在收到数据后并不立即发送一个应答数据包，而是等待一段时间，如果有新的数据被接受就更新应答号，如果有其他数据要发送就坐上该数据包的顺风车。
在系统的内核中维持了一个定时器，一般是200ms,如果定时器溢出，即使没有其他数据到达，也发送该应答数据包。

Nagle算法：
TCP是基于流的传输协议，在Rlogin和Telnet传输中会出现只有一个字节数据的TCP数据包。而一个TCP数据包的首部加上IP首部就有40个字节，很显然发这样的数据包划不来。为了减少这样的数据包，有人提出了Nagle算法。
Nagle算法简单讲就是，等待服务器应答包到达后，再发送下一个数据包。数据在发送端被缓存，如果缓存到达指定大小就将其发送，或者上一个数据的应答包到达，将缓存区一次性全部发送。
Nagle算法是从发送端角度考虑减少了数据包的个数，时延应答从接收端角度考虑减少了数据包的个数。

TCP窗口:
窗口是TCP中为了解决应答机制等待时间过长而引入的方法，如果没有窗口，则TCP每发送一次数据就必须等待应答，收到应答后继续发送，如果没有收到则等待一段时间后重发，如果很长时间都无法收到应答则判断为网络断开。
而使用窗口后，窗口的大小指无需等待应答可以连续发送多个数据包。
TCP窗口在每个传输方向都有两个窗口，发送端窗口和接受端窗口，又因为TCP是全双工通信，因此有四个窗口。

超时重传(RTO）:
当一个包被发送后，就开启一个定时器，如果定时时间到了，还未收到能确认该发送包的应答包，就重传一份数据。注意收到的应答包可能是该包也可能是后面包的，但是只要能确认该包被收到就行。
另外如果，是因为网络延时造成重传，则接受端收到重复数据包后丢弃该包。

坚持定时器:
如果接受端缓冲被占满，发送一个窗口为0的应答，过了一段时间数据处理完毕，重新发送一个应答，告诉发送端窗口大小。不幸的是，如果这个包丢了，就会进入死锁状态——发送端等待更新窗口的应答包，接收端等待接收数据。
为了避免死锁了发生，TCP使用了一个坚持定时器来周期性地向接收方查询，以便发现窗口是否已经增大。这一过程也被称为窗口探查。

拥塞控制算法：
拥塞控制算法先采用慢启动算法，到达慢启动阀值后采用拥塞避免算法。
1)通信开始时，发送方的拥塞窗口大小为1。每收到一个ACK确认后，拥塞窗口大小加1。
2)由于指数级增长非常快，很快地，就会出现确认包超时，认为发生了拥塞。此时设置一个“慢启动阈值”，它的值是当前拥塞窗口大小的一半。
3)拥堵发生后将拥塞窗口大小设置为1，重新进入慢启动过程。
4)由于现在“慢启动阈值”已经存在，当拥塞窗口大小达到阈值后，停止使用慢启动算法，开始采用拥塞避免算法。窗口大小开始线性增加。
5)随着窗口大小不断增加，如果收到三次重复确认应答，则进入快重传阶段。配合快重传使用的还有快恢复算法,将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口大小的一半，再将拥塞窗口大小设置成阈值大小,然后采用拥塞避免算法增加窗口大小。