tcp拥塞控制整理

tcp拥塞控制相关整理

每次面试的时候都会被聊到这个话题，但每当要说时，就发现并不能侃侃而言。

按照自己的理解整理tcp拥塞控制一些知识，参考网络，做汇总笔记，如有不对，请指正~

概述tcp

tcp是流式，可靠的传输控制协议。

1：流式传输： 计算机数据的本质是0/1序列（文本流），tcp协议实现了端口到端口的通信，虚拟了文本流的通信。

​ 但是，传输层的下一层是网络层，即ip层，会把数据打包发送，ip层的MTU长度限制，会使tcp协议将数据切割成片段，打包依次发送。

2：可靠传输：为了保证数据的可靠传输，tcp采用ack回复+重新发送机制保证（网络中丢包问题）

3：思考：ack和重新发送机制，必然影响到tcp的传输效率，tcp如何在传输可靠与传输效率上做控制的？

==》传输可靠：ack和重传机制

==》传输效率：拥塞控制（发送方）和流量控制（接收方）

拥塞控制和流量控制

拥塞控制：防止过多的数据注入网络，避免网络数据负载过大。（作用与发送方）（慢启动 拥塞避免 快重传 快恢复）

流量控制：告知发送方，接收方可以接收到的数据缓冲区大小，保证数据能完整接收到。（作用于接收方）

流量控制（作用于接收端）

让发送端发送频率不那么快，保证接收端能来得及接收。

tcp协议中定义了一个16位的窗口大小（65535字节），描述了接收方接收窗口大小。

tcp的发送方发送窗口大小，不能大于接收端发回的窗口大小。（如果接收方窗口大小返回0，就停止发送，直到发送非零窗口大小（如果这个报文丢失会死锁？定时器解决，零窗口探测））

tcp滑动窗口(连续ARQ协议)：

tcp流量控制是通过滑动窗口实现的：连续ARQ协议

回退N帧ARQ协议：

​ ==》接收端丢弃第一个没接收到的数据包后面的所有包，

​ ==》发送端收到NACK后，从NACK中指示的包

选择性重传ARQ协议：

​ ==》发送端连续发送数据包但对每个数据包都设有个一个计时器

​ ==》当在一定时间内没有收到某个数据包的ACK时，发送端只重新发送那个没有ACK的数据包。

tcp滑动窗口概念：

发送方的拥塞窗口：一般就是我们所说的滑动窗口

接收窗口：tcp首部字段中的一个16bit的字段，描述当前套接字的接收窗口大小。

本质是描述接收方的tcp数据缓冲区大小，在tcp首部中含有一个16bit的字段，发送方会根据这个数据计算自己能发送的数据的长度。

如果接收方窗口大小为0，则发送方停止发送数据。

tcp滑动窗口的实现：

tcp拥塞窗口大小：采用慢启动和拥塞控制算法机制控制，参考下文。

这里有几个概念，一直很模糊：

​ 接收窗口（RWND）：tcp首部中一个16bit字段（可扩展），ack回复中会带该字段，描述了接收窗口大小，发送方发送数据要小于该值，达到限流。

​ 拥塞窗口（CWND）：发送方维护的一个窗口大小，是动态变化的，通过慢启动，拥塞避免控制方案。

​ 发送窗口（swnd）：取拥塞窗口和接收窗口中的较小值，一般和拥塞窗口 值大小一样。

​ 慢启动门限（ssthresh）：通过慢启动对阻塞窗口进行控制使，cwnd小于ssthresh时成倍数增长，大于ssthresh时加1控制，该值一开始限定，也是动态变化的。

​ 最大报文段长度（MSS）: tcp这里一般用MTU的值，其实要协商的，一般MSS值为1460，我们所描述的拥塞窗口大小，是以此为单位的。

总结：流量控制即，通过拥塞窗口和接收窗口，控制发送数据的大小。

拥塞控制（作用与发送端）

拥塞控制作用于网络，防止过多的数据注入网络，造成网络负载过大（路由器缓冲区等可以造成网络阻塞）。

tcp拥塞控制方法：

​ 1：慢启动，拥塞避免

​ 2：快重传，快恢复

慢启动，拥塞避免（这里得拥塞窗口和发送窗口一直相等变化）

拥塞窗口：发送方维持了一个动态变化的窗口，取决于网络的拥塞情况。

慢启动和拥塞避免算法（描述了网络的拥塞状况），主要控制了对拥塞窗口的限制。

慢启动算法：

在主机开始时，逐步探测网络状况，改变发送窗口的大小，加倍增长。

拥塞避免算法：

在慢启动的基础上，当发送窗口大于慢启动门限值时，使用该算法改变窗口大小。 加1

判断网络出现拥塞：

在改变发送窗口进行数据传输时，如果没有按时收到确认，可以认为时网络拥塞，这时候，把慢启动门限值降为当前拥塞窗口值得一半，重置拥塞窗口的大小为1，重新进行慢启动运算。

慢启动算法和拥塞避免算法控制“发送窗口改变”：

1：初始化时，拥塞窗口cwnd为1，慢启动门限定位为16

2：采用慢启动算法，实现数据得传输，如果没有发送网络拥塞，发送窗口以2的倍数增长（单位时MSS）（如果发送网络拥塞时，依次执行第5步）。

3：当下一次发送窗口(即拥塞窗口)的值大于慢启动门限值（ssthresh），改为拥塞避免算法，每次发送窗口+1

4：继续进行传输数据，发送窗口(拥塞窗口)值一直在变化，增大。

5：当发送窗口增大到出现网络拥塞时（没有按时收到ack），把慢启动门限值修改为当前拥塞窗口的1/2, 重置当前发送窗口为1，重新开始慢启动，依次第二步循环。 ===》即发生超时重传的场景

注意：这里在滑动窗口的基础上，有已经接收到对端回复，发送但没有接收到对端ack回复，待发送的数据等数据的维护，以及滑动窗口的移动。

快重传算法和快恢复算法

快重传和快恢复时配合使用，一般发生快重传时，就会触发执行快恢复。

快重传：

发送方只要连续收到三个重复确认的序号，会立即重发没有收到的报文。

tcp认为这种情况不严重，只丢失了一部分数据，进入快恢复算法：

​ 1：改变拥塞窗口值为原来的一半（这里的拥塞窗口和发送窗口一样）

​ 2：改变慢启动门限为拥塞窗口值（第一步计算后的），

​ 3: 继续执行拥塞避免算法。

​

汇总

发送窗口，拥塞窗口，接收窗口

​ ===》发送窗口 是拥塞窗口和接收窗口中的较小值，一般和拥塞窗口一致，因为接收窗口一般很大

我们通常所说的窗口大小，以MSS(最大报文段长度为单位)

流量控制： 通过接收窗口（tcp首部16bit的字段，可扩展）限制，使接收端能正常接收到数据（该值为0停止发送）。

拥塞控制（调整拥塞窗口，对发送数据进行控制，发送窗口动态变化的，慢启动门限也动态变化）：

​ ==》使用慢启动和拥塞避免算法，

​ ==》快重传和快恢复算法

拥塞窗口的基础上，内部有已经发送，允许发送，还没有不允许发送，数据包的一个控制，延迟ack等的控制。

除此之外，tcp其他可靠性通过定时器实现：

​ ==》建立连接定时器，重传定时器(RTO)，坚持定时器(persist timer)，延迟定时器(Delayed ACK)，保活定时器(Keep Alive)，FIN_WAIT_2定时器，TIME_WAIT定时器