TCP/IP卷一:86---TCP拥塞控制之（慢启动、拥塞避免技术与经典算法(Tahoe、Reno以及快速恢复算法)）

• 现在我们讨论TCP的两个核心算法：慢启动和拥塞避免
  • 这两个算法是基于包守恒和ACK时钟原理，最早在Jacobson [J88]的经典论文里被正式提出。几年后，Jacobson对拥塞避免算法提出了改进[J90]
  • 这两个算法不是同时运行的——在任一给定时刻，TCP只运行 一个算法，但两者可以相互切换
  • 下面我们将详细讨论这两个算法，包括如何使用以及对算法的改进。每个TCP连接都能独立运行这两个算法

一、慢启动

• 何时使用慢启动：
  • 当一个新的TCP连接建立或检测到由重传超时(RTO)导致的丢包时，需要执行慢启动
  • TCP发送端长时间处于空闲状态也可能调用慢启动算法
• 慢启动的目的是：
  • 使TCP在用拥塞避免探寻更多可用带宽之前得到cwnd值，以及帮助TCP建立ACK时钟
  • 通常，TCP在建立新连接时执行慢启动，直至有丢包时，执行拥塞避免算法（见下面的拥塞避免）进入稳定状态
  • 下文引自[RFC5681]：

初始窗口（IW）

• TCP以发送一定数目的数据段开始慢启动（在SYN交换之后），称为初始窗口(Initial Window，IW)
• IW的值初始设为一个SMSS（发送方的最大段大小），但在[RFC5681]中设为一个稍大的值，计算公式如下：

• 上述IW的计算方式可能使得初始窗口为几个数据包大小（如3个或4个）
• 为简单起见，我们只讨论IW= 1 SMSS的情况。TCP连接初始的cwnd= 1 SMSS，意味着初始可用窗口W也为1 SMSS。注意到大部分情况下，SMSS为接收方的MSS（最大段大小）和路径MTU（最大传输单元）两者中较小值

cwnd的初始化（线性增长）

• 因此，在接收到一个数据段的ACK后，通常cwnd值会增加到2，接着会发送两个数据段。如果成功收到相应的新的ACK，cwnd会由2变4，由4变8，以此类推......
• 一般情况下，假设没有丢包且每个数据包都有相应ACK，在k轮后W的值为W=，即k= log2W，需要k个RTT时间操作窗口才能达到W大小
• 这种增长看似很快（以指数函数增长），但若与一 开始就允许以最大可用速率（即接收方通知窗口大小）发送相比，仍显缓慢。 （W不会超过awnd)

慢启动阀值

• 如果假设某个TCP连接中接收方的通知窗口非常大（比如说，无穷大），这时cwnd就是影响发送速率的主要因素(设发送方有较大发送需求)
• 如前所述，cwnd会随着RTT呈指数增长。因此，最终cwnd（W也如此）会增至很大，大量数据包的发送将导致网络瘫痪（TCP吞吐量与，W/RTT成正比）
• 当发生上述情况时，cwnd将大幅度减小（减至原值一半）。这是TCP由慢启动阶段至拥塞避免阶段的转折点，与cwnd和慢启动阂值（sIow start threshold，ssthresh）相关

慢启动图示

• 图左描述了慢启动操作：数值部分以RTT为单位。假设该连接首先发送一个包(图上部)，返回一个ACK，接着在第二个RTT时间里发送两个包，会接收到两个ACK。TCP发送方每接收一个ACK就会执行一次cwnd的增长操作，以此类推
• 右图描述了cwnd随时间增长的指数函数：图中另一条曲线显示了每两个数据包收到一个ACK时cwnd的增长情况。通常在ACK延时情况下会采用这种方式，这时的cwnd仍以指数增长，只是增幅不是很大。正因ACK可能会延时到达，所以一些TCP操作只在慢启动阶段完成后才返回ACK。Linux系统中，这被称为快速确认( “快速ACK模式”)，从内核版本2.4.4开始，快速确认 一直是基本TCP/IP协议栈的一部分

二、拥塞避免

为什么设计拥塞避免

• 如上所述，在连接建立之初以及由超时判定丢包发生的情况下，需要执行慢启动操作。在慢启动阶段，cwnd会快速增长，帮助确立一个慢启动阈值。一旦达到阈值，就意味着可能有更多可用的传输资源。如果立即全部占用这些资源，将会使共享路由器队列的其他连接出现严重的丢包和重传情况，从而导致整个网络性能不稳定
• 为了得到更多的传输资源而不致影响其他连接传输，TCP实现了拥塞避免算法

算法分析

• 一旦确立慢启动阈值，TCP进入拥塞避免阶段，cwnd每次的增长值近似于成功传输的数据段大小。 这种随时间线性增长方式与慢启动的指数增长相比缓慢许多
• 更准确地说，每接收一个新的 ACK，cwnd会做以下更新：

• 分析上时，假设字节分k段发送没在接收到第一个ACK后，cwnd的值增长了1/K倍：

图示分析

• 随着每个新的ACK到达，cwnd会有相应的小幅增长（取决于上式中的居值），整体增长率呈现轻微的次线性。尽管如此，我们通常认为拥塞避免阶段的窗口随时间线性增长（见下图），而慢启动阶段呈指数增长（见慢启动中的图片）。这个函数也称为“累加增长”，因为每成功接收到相应数据，cwnd就会增加一个特定值（这里大约是一个包大小）

• 左图描述了拥塞避免操作。数值部分仍是以RTT为单位。假设连接发送了4个数据包(图上方)，返回了4个ACK，cwnd可以有相应的增长。在第2个RTT阶段，增长可达到整数值，使得cwnd增加一个SMSS，这样可以继续发送一个新的数据包
• 右图描绘了cwnd随时间近似呈线性增长。另一曲线模拟ACK延时，显示了每两个数据包收到一个ACK时cwnd的增长情况。这时的cwnd仍近似呈线性增长，只是增幅不是很大

• 拥塞避免算法假设由比特错误导致包丢失的概率很小（远小于1%），因此有丢包发生就表明从源端到目的端必有某处出现了拥塞。如果假设不成立：
  • 比如在无线网络中，那么即使没有拥塞TCP传输也会变慢
  • 另外，cwnd的增大可能会经历多个RTT，这就需要有充裕的网络资源，并得到高效利用
  • 这些问题还有很大的研究空间，以后我们将会讨论其中一些方法

三、慢启动和拥塞避免的选择

• 在通常操作中，某个TCP连接总是选择运行慢启动和拥塞避免中的一个，不会出现两者同时进行的情况。现在我们考虑，在任一给定时刻如何决定选用哪种算法。我们已经知道，慢启动是在连接建立之初以及超时发生时执行的。那么决定使用慢启动还是拥塞避免的关键因素是什么呢？

慢启动阈值（ssthresh）

• 前面我们已经提到过慢启动阈值。这个值和cwnd的关系是决定采用慢启动还是拥塞避免的界线：
  • 当cwnd < ssthresh，使用慢启动算法
  • 当cwnd > ssthresh，需要执行拥塞避免
  • 而当两者相等时，任何一种算法都可以使用
• 由上面描述可以得出，慢启动和拥塞避免之间最大的区别在于：当新的ACK到达时，cwnd怎样增长
• 有趣的是，慢启动阈值不是固定的，而是随时间改变的。它的主要目的是，在没有丢包发生的情况下，记住上一次“最好的”操作窗口估计值。换言之，它记录TCP最优窗口估计值的下界
• 慢启动阈值的初始值可任意设定（如awnd或更大），这会使得TCP总是以慢启动状态开始传输
• 当有重传情况发生，无论是超时重传还是快速重传，ssthresh会按下式改变：

• 我们已经知道，如果出现重传情况：
  • TCP会认为操作窗口超出了网络传输能力范围。这时会将慢启动阈值（ssthresh）减小至当前窗口大小的一半（但不小于2*SMSS），从而减小最优窗口估计值
  • 这样通常会导致ssthresh减小，但也有可能会使之增大。分析TCP拥塞避免的操作流程，如果整个窗口的数据都成功传输，那么cwnd值可以近似增大1 SMSS。因此，若cwnd在一段时间范围内已经增大，将ssthresh设为整个窗口大小的一半可能使其增大。这种情况发生在当TCP探测到更多可用带宽时
  • 在慢启动和拥塞避免结合的情况下，ssthresh和cwnd的相互作用使得TCP拥塞处理行为显现其独有特性
• 下面我们探讨将两者结合的完整的算法

四、Tahoe、Reno以及快速恢复算法

• 至此讨论的慢启动和拥塞避免算法，组成了TCP拥塞控制算法的第一部分。它们于20世纪80年代末期在加州大学伯克利分校的4.2版本的UNIx系统中被提出，称为伯克利软件版本，或BSD UNIX。至此开始了以美国城市名命名各个TCP版本的习惯，尤其是那些赌博 合法的城市

Tahoe

• 4.2版本的BSD（称为Tahoe）包含了一个TCP版本，它在连接之初处于慢启动阶段，若检测到丢包，不论由于超时还是快速重传，都会重新进入慢启动状态。有丢包情况发生时，Tahoe简单地将cwnd减为初始值（当时设为1 SMSS）以达到慢启动目的，直至cwnd增长为ssthresh
• 这种方法带来的一个问题是，对于有较大BDP的链路来说，会使得带宽利用率低下。因为TCP发送方经重新慢启动，回归到的还是未丢包状态（cwnd启动初始值设置过小）。
• 为解决这一问题，针对不同的丢包情况，重新考虑是否需要重回慢启动状态。若是由重复ACK引起的丢包（引发快速重传），cwnd值将被设为上一个ssthresh，而非先前的1 SMSS。（在大多数TCP版本中，超时仍是引发慢启动的主要原因）这种方法使得TCP无须重新慢启动，而只要把传输速率减半即可

Reno

• 进一步讨论较大BDP链路的情况，结合之前提到的包守恒原理，我们可以得出结论，只要接收到ACK回复（包括重传ACK），就有可能传输新的数据包
• BSD UNIX的4.3 BSD Reno版中的快速恢复机制就是基于上述结论。在恢复阶段，每收到一个ACK，cwnd就能（临时）增长1 SMSS，相应地就意味着能发送一个新的数据包。因此拥塞窗口在一段时间内会急速增长，直到接收一个好的ACK。不重复的（“好的”） ACK表明TCP结束恢复阶段，拥塞已减少到之前状态
• TCP Reno算法得到了广泛应用，并成为“标准TCP”的基础

五、标准TCP

• 尽管究竟哪些构成了“标准” TCP还存在争议，但我们讨论过的上述算法毋庸置疑都属于标准TCP。慢启动和拥塞避免算法通常结合使用，[RFC5681]给出了其基本方法。这个规范并不要求严格使用这些精确算法，TCP实现过程仅利用其核心思想。
• 总结[RFC5681]中的结合算法，在TCP连接建立之初首先是慢启动阶段(cwnd = IW)，ssthresh通常取一较大值(至少为awnd)。当接收到一个好的ACK (表明新的数据传输成功)，cwnd会相应更新：

• 当收到三次重复ACK（或其他表明需要快速重传的信号）时，会执行以下行为：
  • 1.ssthresh更新为大于等式（上面慢启动阈值中的等式）中的值
  • 2.启用快速重传算法，将cwnd设为（ssthresh + 3*SMSS）
  • 3.每接收一个重复ACK，cwnd值暂时增加1 SMSS
  • 4.当接收到一个好的ACK，将cwnd重设为ssthresh
• 以上第2步和第3步构成了快速恢复：
  • 步骤2设置cwnd大小，首先cwnd通常会被减为之前值的一半。然后，考虑到每接收一个重复ACk，就意味着相应的数据包已成功传输（因此新的数据包就有发送机会），cwnd值会相应地暂时增大。这一步也可能出现cwnd加速递减的情况，因为通常cwnd会乘以某个值（这里取0.5）来形成新的cwnd
  • 步骤3维持cwnd的增大过程，使得发送方可以继续发送新的数据包（在不超过awnd的情况下）
• 步骤4假设TCP已完成恢复阶段，所以cwnd的临时膨胀也消除了（有时称这一步为“收缩”）

• 以下两种情况总会执行慢启动：新连接的建立以及出现重传超时。当发送方长时间处于空闲状态，或者有理由怀疑cwnd不能精确反映网络当前拥塞状态（参见下一篇文章中的“拥塞窗口校验”）时，也可能引发慢启动。在这种情况下，cwnd的初始值将被设为重启窗口（RW）。在文献[RFC5681] 中，推荐RW值为RW=min(IW,cwnd)。其他情况下，慢启动中cwnd初始设为IW