TCP流量控制、拥塞控制和重发机制（快重传和快恢复）详解

1. TCP流量控制

如果发送方把数据发送得过快，接收方可能会来不及接收，这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，对发送方发送速率的控制，要让接收方来得及接收。

利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。

1.1 如何控制？

• 接收方每次收到数据包，可以在发送确定报文的时候，同时告诉发送方自己的缓存区还剩余多少是空闲的，我们也把缓存区的剩余大小称之为接收窗口大小，用变量win来表示接收窗口的大小。
• 发送方收到之后，便会调整自己的发送速率，也就是调整自己发送窗口的大小，当发送方收到接收窗口的大小为0时，发送方就会停止发送数据，防止出现大量丢包情况的发生。

1.2 发送方何时再继续发送数据?

• 当发送方收到接受窗口 win = 0 时，这时发送方停止发送报文，并且同时开启一个定时器（心跳包），每隔一段时间就发个测试报文去询问接收方，打听是否可以继续发送数据了，如果可以，接收方就告诉他此时接受窗口的大小；如果接受窗口大小还是为0，则发送方再次刷新启动定时器。

1.3 注意点：

1. 由于TCP/IP支持全双工传输，因此通信的双方都拥有两个滑动窗口，一个用于接受数据，称之为接收窗口；一个用于发送数据，称之为拥塞窗口(即发送窗口)。指出接受窗口大小的通知我们称之为窗口通告。
2. 在早期的TCP协议中，接受接受窗口的大小确实是固定的，不过随着网络的快速发展，固定大小的窗口太不灵活了，成为TCP性能瓶颈之一，也就是说，在现在的TCP协议中，接受窗口的大小是根据某种算法动态调整的。
3. 接受窗口如果太小的话，显然是不行的，这会严重浪费链路利用率，增加丢包率。那是否越大越好呢？答否，当接收窗口达到某个值的时候，再增大的话也不怎么会减少丢包率的了，而且还会更加消耗内存。所以接收窗口的大小必须根据网络环境以及发送发的的拥塞窗口来动态调整。
4. 接收方在发送确认报文的时候，会告诉发送发自己的接收窗口大小，而发送方的发送窗口会据此来设置自己的发送窗口，但这并不意味着他们就会相等。首先接收方把确认报文发出去的那一刻，就已经在一边处理堆在自己缓存区的数据了，所以一般情况下接收窗口 >= 发送窗口。

2. TCP拥塞控制

2.1 拥塞控制的原理

• 发送方维持一个拥塞窗口 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。

• 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。

2.2 慢开始算法

• 当主机开始发送数据时，如果立即将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。因此，较好的方法是 先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由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 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。
  

• 慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况），然后再逐渐增大cwnd。

为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。慢开始门限ssthresh的用法如下：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用上述的慢开始算法。
• 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
• 当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞控制避免算法。拥塞避免

2.3 拥塞避免

• 让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，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），就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送 方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，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。
  

2.4 乘法减小和加法增大

• 乘法减小：是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现超时，就把慢开始门限减半，即设置为当前的拥塞窗口的一半（于此同时，执行慢开始算法）。当网络出现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快，以大大将小注入到网络中的分组数。

• 加法增大：是指执行拥塞避免算法后是拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

2.5 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。

拥塞问题是一个全局性的问题,涉及到所有的主机、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。

3. TCP重发机制（快重传和快恢复）

3.1 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才进行捎带确认。

接收方收到了M1和M2后都分别发出了确认。现在假定接收方没有收到M3但接着收到了M4。

显然，接收方不能确认M4，因为M4是收到的失序报文段。根据 可靠传输原理，接收方可以什么都不做，也可以在适当时机发送一次对M2的确认。

但按照快重传算法的规定，接收方应及时发送对M2的重复确认，这样做可以让 发送方及早知道报文段M3没有到达接收方。发送方接着发送了M5和M6。接收方收到这两个报文后，也还要再次发出对M2的重复确认。这样，发送方共收到了 接收方的四个对M2的确认，其中后三个都是重复确认。

快重传算法还规定，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M3，而不必 继续等待M3设置的重传计时器到期。

由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%。

3.2 快恢复

当发送方连续收到三个重复确认，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。
与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口cwnd现在不设置为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（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。