iOS面试题：聊一聊 TCP 的拥塞控制相关过程？

TCP 的拥塞控制主要是四个算法：1）慢启动；2）拥塞避免；3）拥塞发生；4）快速恢复。

整个拥塞控制的过程大致如下图所示：

慢启动算法

慢启动的算法如下(cwnd 全称 Congestion Window)：

• 1）连接建好的开始先初始化 cwnd = 1，表明可以传一个 MSS（Max Segment Size）大小的数据。
• 2）每当收到一个 ACK，cwnd++; 呈线性上升。
• 3）每当过了一个 RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数上升。
• 4）还有一个 ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当 cwnd >= ssthresh 时，就会进入「拥塞避免算法」。

所以，我们可以看到，如果网速很快的话，ACK 也会返回得快，RTT 也会短，那么，这个慢启动就一点也不慢。

拥塞避免算法

前面说过，还有一个 ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当 cwnd >= ssthresh 时，就会进入拥塞避免算法。一般来说 ssthresh 的值是 65535 字节，当 cwnd 达到这个值时后，算法如下：

• 1）收到一个 ACK 时，cwnd = cwnd + 1/cwnd。
• 2）当每过一个 RTT 时，cwnd = cwnd + 1。

这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法

当丢包的时候，会有两种情况：

• 1）等到 RTO 超时，重传数据包。TCP 认为这种情况太糟糕，反应也很强烈。
  • sshthresh = cwnd/2。
  • cwnd 重置为 1。
  • 进入慢启动过程。
• 2）快速重传（Fast Retransmit）算法，也就是在收到 3 个 duplicate ACK 时就开启重传，而不用等到 RTO 超时。
  • TCP Tahoe 的实现和 RTO 超时一样。
  • TCP Reno的实现是：
    • cwnd = cwnd/2。
    • sshthresh = cwnd。
    • 进入快速恢复算法（Fast Recovery）。

上面我们可以看到 RTO 超时后，sshthresh 会变成 cwnd 的一半，这意味着，如果 cwnd<=sshthresh 时出现的丢包，那么 TCP 的 sshthresh 就会减了一半，然后等 cwnd 又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，就会成慢慢的线性增涨。我们可以看到，TCP 是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

快速恢复算法

TCP Reno 这个算法定义在 RFC5681。快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法是认为，你还有 3 个 Duplicated Acks 说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。注意，正如前面所说，进入 Fast Recovery 之前，cwnd 和 sshthresh 已被更新：

• cwnd = cwnd /2
• sshthresh = cwnd

然后，真正的 Fast Recovery 算法如下：

• cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）。
• 重传 Duplicated ACKs 指定的数据包。
• 如果再收到 duplicated ACKs，那么 cwnd = cwnd + 1。
• 如果收到了新的 ACK，那么 cwnd = sshthresh，然后就进入了拥塞避免的算法了。

如果你仔细思考一下上面的这个算法，你就会知道，上面这个算法也有问题，那就是它依赖于 3 个重复的 ACKs。注意，3 个重复的 ACKs 并不代表只丢了一个数据包，很有可能是丢了好多包。但这个算法只会重传一个，而剩下的那些包只能等到 RTO 超时。于是，进入了恶梦模式：超时一个窗口就减半一下。多个超时会超成 TCP 的传输速度呈级数下降，而且也不会触发 Fast Recovery 算法了。

1995 年，TCP New Reno（参见 RFC 6582 ）算法提出来，主要就是在没有 SACK 的支持下改进 Fast Recovery 算法：

• 当 sender 这边收到了 3 个 Duplicated ACKs，进入 Fast Retransimit 模式，开发重传重复 ACKs 指示的那个包。如果只有这一个包丢了，那么，重传这个包后回来的 ACK 会把整个已经被 sender 传输出去的数据 ACK 回来。如果没有的话，说明有多个包丢了。我们叫这个 ACK 为 Partial ACK。
• 一旦 Sender 这边发现了 Partial ACK 出现，那么，sender 就可以推理出来有多个包被丢了，于是乎继续重传 sliding window 里未被 ack 的第一个包。直到再也收不到了 Partial ACK，才真正结束 Fast Recovery 这个过程。

这个 Fast Recovery 的变更是一个非常激进的玩法，他同时延长了 Fast Retransmit 和 Fast Recovery 的过程。

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