计算机网络——TCP的拥塞控制

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1.拥塞控制概述

    在某段时间，如果对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏，这种情况就叫做拥塞。
    如果出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入载荷的增大而下降。

2.慢开始和拥塞避免算法

    在介绍拥塞控制算法前，先假定如下条件：

    发送方需要维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。

• 拥塞窗口cwnd的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些；但只要出现拥塞，窗口就减少一些。
• 判断出现网络拥塞的依据：没有按时收到应当到达的确认报文（即发生超时重传）。

    发送方将拥塞窗口作为发送窗口，即swnd=cwnd。

    维护一个慢开始门限ssthresh状态变量。

• 当cwnd
• 当cwnd>ssthresh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
  
      TCP通信双方建立逻辑联系时，将拥塞窗口值设置为1，门限值设置为16。每当发送方发送成功一条爆温，并收到接收方的确认报文后，传输轮次就加1，并调整拥塞窗口值，使之指数增加。经过4个传输轮次后，cwnd的值经历了1-2-4-8-16的变化，达到了ssthresh的大小，接下来就要转而执行拥塞避免算法。
  
      此后没经过一个轮次，cwnd的值默认加1，直到网络出现了拥塞，即重传计时器超时了。这时，根据目前的cwnd的值，零ssthresh变为原来的一半，并重新开始执行慢开始算法。
  
      当重新执行慢开始算法时，cwnd的值继续按指数规律增长，当达到ssthresh大小时，继续执行拥塞避免算法，cwnd的值按轮次线性增加。

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3.快重传算法和快恢复算法

    有时，网络中的个别报文段出现了丢失，但实际上网络并没有发生拥塞，如果此时错误认为发生了拥塞，执行拥塞避免算法，就会降低传递效率。
    为此引入快重传算法，可以尽快地让发送方知道发生了个别报文段的丢失。接收方在收到发送方发送的数据后，要立刻进行确认，即使收到了失序的报文段也需要进行确认，而发送方一旦收到3个连续的重复确认，就要立即重传，而不是等待超时计时器超时。

    如上图所示，发送方在发送报文段M1后，即在发送M2后收到了来自接收方对M1的确认。而M3在传输过程中出现了丢失，此后发送方继续发送后续报文段。而发送方每收到一个失序报文段（M4，M5，M6），就发送重复确认报文给发送方。在收到连续3条重复确认M2后，发送方就立即重传M3，不再等待超时计时器的重传时间。而接收方收到M3后，发送对前6段报文的累计确认。
    而快恢复算法就是在发送方收到3个重复的确认报文后，将ssthresh的值更新为原来的一半，并且更新cwnd的值为ssthresh的值，这样就避免了再次执行慢开始算法。整体的控制情况如下图所示：