TCP如何保证可靠性传输？（拥塞控制、流量控制）

实现可靠性传输方法

• TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输。
• 还有拥塞控制与流量控制机制，我们重点聊一下这两个方面
• 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。TCP的流量控制是利用滑动窗口机制实现的，接收方在返回的数据中会包含自己的接收窗口的大小，以控制发送方的数据发送。
• 拥塞控制
  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 网络拥塞。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。

概述

• 流量控制方法：
  • 滑动窗口：告诉发送端可以发送的数据大小或标记接收端缓冲区大小
• 拥塞控制方法：
  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 快重传、快恢复

详细介绍

流量控制

• 发送端根据自己的实际情况发送数据。但是，接收端可能收到的是一个毫无关系的数据包又可能会在处理其他问题上花费一些时间。因此在为这个数据包做其他处理时会耗费一些时间，甚至在高负荷的情况下无法接收任何数据。如此一来，如果接收端将本应该接收的数据丢弃的话，就又会触发重发机制，从而导致网络流量的无端浪费。
• 为了防止这种现象的发生，TCP提供一种机制可以让发送端根据接收端的实际接收能力控制发送的数据量。这就是所谓的流控制。它的具体操作是，接收端主机向发送端主机通知自己可以接收数据的大小，于是发送端会发送不超过这个限度的数据。该大小限度就被称作窗口大小。
• TCP首部中，专门有一个字段用来通知窗口大小。接收主机将自己可以接收的缓冲区大小放入这个字段中通知给发送端。这个字段的值越大，说明网络的吞吐量越高。
• 不过，接收端的这个缓冲区一旦面临数据溢出时，窗口大小的值也会随之被设置为一个更小的值通知给发送端，从而控制数据发送量。也就是说，发送端主机会根据接收端主机的指示，对发送数据的量进行控制。这也就形成了一个完整的TCP流控制（流量控制)。

流量控制：

• 如上图所示，当接收端收到从3001号开始的数据段后其缓冲区即满，不得不暂时停止接收数据。之后，在收到发送窗口更新通知后通信才得以继续进行。如果这个窗口的更新通知在传送途中丢失，可能会导致无法继续通信。为避免此类问题的发生，发送端主机会时不时的发送一个叫做窗口探测的数据段，此数据段仅含一个字节以获取最新的窗口大小信息。

拥塞控制

• 有了TCP的窗口控制，收发主机之间即使不再以一个数据段为单位发送确认应答，也能够连续发送大量数据包。然而，如果在通信刚开始时就发送大量数据，也可能会引发其他问题。
• 一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时，如果突然发送一个较大量的数据，极有可能会导致整个网络的瘫痪。
• TCP为了防止该问题的出现，在通信一开始时就会通过一个叫做慢启动的算法得出的数值,对发送数据量进行控制。

慢启动：

• 首先，为了在发送端调节所要发送数据的量，定义了一个叫做“拥塞窗口”的概念。于是在慢启动的时候，将这个拥塞窗口的大小设置为1个数据段( 1MSS)’发送数据，之后每收到一次确认应答(ACK)，拥塞窗口的值就加1。在发送数据包时，将拥塞窗口的大小与接收端主机通知的窗口大小做比较，然后按照它们当中较小那个值，发送比其还要小的数据量。
• 如果重发采用超时机制，那么拥塞窗口的初始值可以设置为1以后再进行慢启动修正。有了上述这些机制，就可以有效地减少通信开始时连续发包’导致的网络拥堵，还可以避免网络拥塞情况的发生。
• 不过，随着包的每次往返，拥塞窗口也会以1、2、4等指数函数的增长，拥堵状况激增甚至导致网络拥塞的发生。为了防止这些，引入了慢启动阀值的概念。只要拥塞窗口的值超出这个阀值，在每收到一次确认应答时，只允许以下面这种比例放大拥塞窗口:
  TCP的窗口变化：
  
• 拥塞窗口越大，确认应答的数目也会增加。不过随着每收到一个确认应答，其涨幅也会逐渐减少，甚至小过比一个数据段还要小的字节数。因此，拥塞窗口的大小会呈直线上升的趋势。
• TCP的通信开始时，并没有设置相应的慢启动阀值。而是在超时重发时，才会设置为当时拥塞窗口一半的大小。
• 由重复确认应答而触发的高速重发与超时重发机制的处理多少有些不同。因为前者要求至少3次的确认应答数据段到达对方主机后才会触发，相比后者网络的拥堵要轻一些。
• 而由重复确认应答进行高速重发控制时，慢启动阀值的大小被设置为当时窗口大小的一半。然后将窗口的大小设置为该慢启动阀值+3个数据段的大小。
• 有了这样一种控制，TCP的拥塞窗口如上图所示发生变化。由于窗口的大小会直接影响数据被转发时的吞吐量，所以一般情况下，窗口越大，越会形成高吞吐量的通信。
• 当TCP通信开始以后，网络吞吐量会逐渐上升，但是随着网络拥堵的发生吞吐量也会急速下降。于是会再次进入吞吐量慢慢上升的过程。因此所谓TCP的吞吐量的特点就好像是在逐步占领网络带宽的感觉。

快重传与快恢复

• 快重传：
  • 我们来考虑一下某个报文段丢失的情况：接收主机如果收到一个自己应该接收的序号以外的数据时，会针对当前为止收到数据返回确认应答。
  • 如下图所示。当某一报文段丢失后，发送端会一直收到序号为1001 的确认应答，这个确认应答好像在提醒发送端“我想接收的是从1001开始的数据”。因此，在窗口比较大，又出现报文段丢失的情况下，同一个序号的确认应答将会被重复不断地返回。而发送端主机如果连续3次收到同一个确认应答，就会将其所对应的数据进行重发。这种机制比之前提到的超时管理更加高效，因此也被称作高速重发控制。

快重传：

• 快恢复：
  • 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，并不需要重新回到慢启动进行，这样可能降低效率。所以协议栈会做如下工作：

1. cwnd = cwnd/2
2. sshthresh = cwnd

然后启动快速恢复算法：

1. 设置cwnd = ssthresh＋ACK个数＊MSS（一般情况下会是3个dup ACK）
2. 重传丢失的数据包（对于重传丢失的那个数据包，可以参考TCP-IP详解：SACK选项）
3. 如果只收到Dup ACK，那么cwnd = cwnd + 1， 并且在允许的条件下发送一个报文段
4. 如果收到新的ACK, 设置cwnd = ssthresh， 进入拥塞避免阶段

参考链接：https://blog.csdn.net/wdscq1234/article/details/52529994