TCP的流量控制和拥塞控制

Posted 2020-08-07

1、TCP的流量控制

一般说来，我们总是希望数据传输的更快一些。但如果发送方吧数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，就会造成数据的丢失。所谓的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来的及接收。

设A向B发送数据。在连接建立是，B告诉了A：“我的接收窗口wnd=400”。因此，发送方的发送窗口不能超过接收方的给出的接收窗口的数值。请注意，TCP的窗口单位是字节，不是报文段。我们应注意，接收方的主机B进行了三次流量控制。第一次把窗口减小到rwnd=300，第二次又减到rwnd=100，最后减到了rwnd=0，即不允许发送方再发送数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B重新发出一个新的窗口值为止。我们还应注意到，B向A发送的三个报文段都设置了ACK=1，只有在ACK=1时确认好字段才有意义。

1.1、现在我们考虑一种情况，B向A发送了零窗口的报文段后不久，B的接收缓存又有了一些存储空间。于是B向A发送了rwnd=400的报文段。然而这个报文段在传送过程中丢失了。A一直等待收到B发送的非零窗口的通知，而B也一直等待A发送的数据，如果没有其他措施，这种互相等待的死锁局面将一直延续下去。

为了解决这个问题，TCP为每一个连接设有一个持续计时器，只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段，仅携带一个字节的数据，而对方就在确认这个探测报文段时会给出现在的窗口值。如果窗口值仍为0，那么收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。如果窗口值不为0，那么死锁的僵局就可以打破了。

 

2、TCP的拥塞控制

网络拥塞往往是有许多的因素引起的。例如，当某个节点缓存的容量太小时，到达该节点的分组因存储空间而不得不被丢弃。现在设想将该节点缓存的容量扩展到非常大，于是凡是到达该节点的分组均可在节点的缓存队列中排队，不受任何限制。由于输出链路的容量和处理机的速度并没有得到提高，因此在这队列中的绝大多数的分组的排队等待时间将会大大增加，结果是上层软件只好把它们进行重传，由此可见，简单地扩大缓存的存储空间同样会造成网络资源的严重浪费，因而解决不了网络拥塞的问题。

犹如，处理机的速度太慢可能引起网络的拥塞，简单的将处理机的速度提高，可能会使得上述情况缓解一些，但往往又会将瓶颈转移到其他的地方。问题的实质往往是整个系统的各个部分的不匹配。只有所有的部分都平衡了，问题才会得到解决。

2.1、拥塞控制与流量控制的关系

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，就是网络能够承受现有的网络负荷。它是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及降低网络传输性能有关的所有因素。

相反，流量控制往往指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抑制发送端发送数据的速率，以便接收端来得及接收。

拥塞控制和流量控制之所以常常被弄混，是因为某些拥塞控制算法是向发送端发送控制报文，并告诉发送端，网络已经出现麻烦，必须放慢发送速率。这点又和流量控制是很相似的。

 

3、几种拥塞控制方法

 

1）慢开始

慢开始算法的思路是这样的。当主机发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。经验证明，较好的方法是先探测一下，即由小到大主键增大发送窗口，也就是说，有小到大逐渐增大拥塞窗口数值，通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口增加到多一个MSS的数值，用这样的方法逐步增大发送饭的拥塞窗口cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

2）拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢的增大，及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cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

无论在慢开始还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就是没有按时收到确认，就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口值得一半，但是要不小于2,。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

3）快重传

快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后，就立即发出重复确认，为的是能够及早知道有报文段没有到达对方，而不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，快重传算法规定，发送发只要一连收到3个重复的确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待为丢失的报文段设置重传计时器到期。

4）快恢复

与快重传配合使用的还有快恢复算法，当发送方连续收到三个重复确认时，就执行乘法减小算法，把慢开始门限ssthresh减半。这是为了预防网络发生拥塞。请注意，接下去就不再执行慢开始算法了。由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，即把拥塞窗口cwnd的值设置为1，而是把cwnd值设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口慢慢的线性的增大。

 

3.1、实际应用中的例子：

为什么http下载不是直接以可使用的最大速度下载而是一点一点地加快速度？如果直接以可使用的最大速度下载会有什么后果？

简单说，当用户向服务器建立连接时，没人知道两者之间有效带宽能有多大——可能是1G的光纤，也可能是坑爹的2G手机网络……
可采用的策略无非两种：
一是默认链路速率很大，一开始用能支持的最大流量发；发现对方接不过来再尝试更小的流量；
二是默认链路速率很小，用最低流量发；发完发现对方响应很快、没有丢包，就尝试加大速率发；没丢再加大；若出现拥塞，切换到拥塞控制算法继续尝试，直到找到链路允许的最大速率。
前者容易造成资源浪费，万一存在网络攻击还会急剧放大攻击的威胁能力；后者就好的多。
不要被慢开始（slow start）这个名字给误导了，它的意思是从低速开始试探流量，并不是“慢慢增加下载速率”。其实相关算法要求尽快探明链路速率上限、同时还能应对各种意外情况方为最佳。