TCP拥塞原理

TCP拥塞原理

TCP是典型的point to point的拥塞控制，网络不提供任何的辅助信息，它通过自己的感知进行判断是否发生了拥塞，从而采取相应的措施。

TCP采用发送方所感知到的网络阻塞程度，来控制发送方发送的速率。也就是说如果网络畅通，则增加发送速率，反之降低速率。

对于TCP为了防止拥塞采用的方式我们有如下几点疑问：

• TCP如何限制发送方的发送速率？
• TCP如何通过自己感知线路是否阻塞？
• 当TCP感知线路阻塞，采用何种算法来改变发送速率？

通过这三个问题，我们一起认识一下TCP。

TCP如何限制发送方的发送速率？

TCP的连接的每一端的组成都包含接收缓存、发送缓存和一些变量，其中有cwnd，对发送方的发送速率进行控制，它是根据网络拥塞情况动态控制的。

rwnd是指我能承受得最大报文数量。rwnd不是用来控制网络拥塞的，只表示接收端的能力。

在三次握手的过程中，接收方会将rwnd的值传给发送端。

在一个发送方中发送的数据量不能超过cwnd和rwnd的最小值。即

$LastByteSent-LastByteAcked\le min\{cwnd,rwnd\}$

当TCP感知线路阻塞，采用何种算法来改变发送速率？

• 慢启动
• 拥塞避免
• 快速恢复

慢启动

慢启动简而言之，就是按部就班的提高发送数据包的数量。

当一条TCP连接开始时，cwnd的值通常会设置为1,代表一个MMS值。

那么它的初始速率 ≈ MMS/RTT，例如MSS = 500byte,RTT = 200ms ,初始速率为20kbps ≈ 500byte/200ms。

然后我们通过一个例子来说明cwnd是以何种规律进行增长：

• 连接建立初始化cwnd = 1，代表可以发送一个MSS；
• 发送方接收到1个ACK，cwnd = cwnd+1，cwnd为2；
• 发送方接收到2个ACK，cwnd = cwnd+2，cwnd为4；
• 发送方接收到4个ACK，cwnd = cwnd+4，cwnd为8；

显而易见cwnd呈现指数增长的趋势。但是它总归是不能无限制增长的，那么在何时结束呢？

在了解这个之前我们先来了解以下ssthresh变量

TCP中有一个状态变量ssthresh（慢启动阈值）

• 如果检测到丢包事件，TCO发送方将cwnd重置为1，将ssthresh设置为cwnd/2，并且重新开始【慢启动】；
• 当发送方接收到3个冗余的ACK时，TCP会执行快速重传并进入【快速恢复】；

拥塞避免

一旦进入拥塞避免状态下，并且对于cwnd值的增加将采用非常保守的方法。每个RTT只会将cwnd的值增加1个MSS，即每当收到一个ACK时，cwnd增加1/cwnd。

阻塞发生

当网络出现拥塞，出现数据包丢失，那么就会发生数据包重传，重传机制主要有两种：

• 超时重传

当发生了【超时重传】，则就会使用拥塞发生算法。ssthresh 设为 cwnd/2，cwnd 重置为 1，接着，就重新开始【慢启动】。

• 快速重传

当发送方接收到三次冗余的ACK，那么就不必等待超时重传，直接进入【快速恢复】。

快速恢复

当丢包事件被3次冗余的ACK事件触发，此时会进入快速恢复状态，因为TCP认为还能收到3个重复的ACK，网络并没有那么糟糕，所有反应也没有那么强烈。

然后进入快速恢复算法：

• 重传丢失的数据包；
• 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为cwnd（发生三次冗余ACK时cwnd） / 2 + 接收到冗余ACK的数量 ，ssthresh = cwnd（发生三次冗余ACK时cwnd） / 2，原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，再次进入【拥塞避免】；

拥塞算法示意图

快速重传这里还是有一个疑问，在11次RTT时的cwnd值不理解。之后可以参考【RFC 5681】

巨人的肩膀

30张图解： TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制发愁

《计算机网络自顶向下方法第7版》