传输层-第三节1-5：TCP拥塞控制

Posted 2022-07-09 快乐江湖

• 本文大部分内容来自博主：【小林coding】，如有需求请大家关注。本文会在此基础上结合王道课本进行梳理

文章目录

• 一：什么是拥塞控制
• • （1）拥塞控制
  • （2）拥塞控制和流量控制的区别
• 二：拥塞窗口
• 三：拥塞控制四大算法
• • （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
• 四：拥塞控制算法完整过程图

一：什么是拥塞控制

（1）拥塞控制

拥塞控制：是指防止过多的数据注入网络，保证网络中的路由器或链路不致过载。出现拥塞时，端点并不了解到拥塞发生的细节，对通信连接的端点来说，拥塞往往表现为通信时延的增加

（2）拥塞控制和流量控制的区别

• 拥塞控制：是让网络能够承受现有的网络负荷，是一个全局性的过程，涉及所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素
• 流量控制：是指点对点的通信量的控制，即接收端控制发送端，它所要做的是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收

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：拥塞控制四大算法

（1）慢启动

慢启动：TCP在刚建立完连接后，会一点一点的提高发送数据包的数量，随着时间推移数据量会越来越大。具体规则为：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

拥塞避免：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）。具体规则为：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，重传方式主要有两种，其对应的拥塞发生算法是不同的

• 超时重传
• 快速重传

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

如下图，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

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，所以没有必要像超时重传那样强烈

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。
  

四：拥塞控制算法完整过程图

如下图是一个比较经典的拥塞算法的过程图