拥塞控制和流量控制

拥塞控制

什么是拥塞控制？
在某段时间，若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，网络的性能就要变换，叫做拥塞。

若是对于TCP这种有重传机制的传输协议，当发生数据丢失时，重传数据将延长数据到达的时间；同时，高频率的重传，也将导致网络的拥塞得不到缓解。拥塞控制，就是在网络中发生拥塞时，减少向网络中发送数据的速度，防止造成恶性循环；同时在网络空闲时，提高发送数据的速度，最大限度地利用网络资源。说的简单点，就和堵车差不多，路就这么宽，来的车多，自然过的就慢，所以在必要的时候要限号。

拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制
1.开环控制，在设计网络时把因素考虑到
2.闭环控制，基于反馈环路，使用拥塞的信息来进行调整网络

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拥塞控制的解决方法：
总共四种：慢开始，拥塞避免，快重传，快恢复

1.慢开始和拥塞避免
发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd，根据网络来进行动态的调整大小，网络拥塞的时候，路由器会丢弃报文，当发送方没有按时收到确认报文，那么就知道网络发生了拥堵。

现在结合拥塞窗口cwnd的变化来看一下上述两个方法

慢开始的“慢”指的是，初始cwnd=1（此时表示的是报文段的个数，而不是真正传输时使用的字节流）
1.开始时发送方cwnd=1，发送报文段M1，如果收到确认M1，那么此时增大cwnd=2，并发送M2，M3
2.要注意，发送方每收到一个确认报文段，cwnd*2（不包括缺失重传的确认）
也就是说，每经过一个传输伦次（RTT时间），cwnd加倍。
但是，为了防止拥塞窗口cwnd增长过大而引起网络拥塞，设置一个慢开始门限ssthresh。

不同情况下使用的算法是不同的：
1.当cwnd 2.当cwnd>ssthresh，停止使用慢开始，使用拥塞避免算法
3.当cwnd==ssthresh，两者都可以使用

那么理所当然的，现在我们要来看一下拥塞避免算法。
拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd+1，而不是加倍（也就是收到两个，四个确认，仍然+1），这样cwnd就按线性增大

此时我们假设ssthresh为16，也就是超过这个值就要转化为拥塞避免算法，并且假设到24的时候，网络出现拥堵。

此时我们注意两个词：

1.乘法减小：也就是说，当拥塞避免算法增长到24之后，我们更新ssthresh=24/2=12，之后再重新执行之前的两个算法。乘法减小，指的就是ssthresh减半

2.加法增大：指的是，执行拥塞避免算法之后，cwnd线性的进行增长，防止很快就遇到网络拥塞状态

2.快重传和快恢复

快重传的核心：
当接收方收到了一个失序的报文，马上报告给发送方，我没收到，赶紧重传（天下武功唯快不破），加入M2收到了，M3没有收到，之后的M4,M5,M6又发送了，此时接收方一共连续给发送方反馈了4个M2确认报文。那么快重传规定，发送方只要连续收到3个重复确认，立即重传对方发来的M3

那么我们再来看一下快恢复:
1.当发送方连续收到三个重复确认，执行乘法减小，ssthresh减半
2.由于发送方可能认为网络现在没有拥塞，因此与慢开始不同，把cwnd值设置为ssthresh减半之后的值，然后执行拥塞避免算法，线性增大cwn

其实呢，对于接收方也是用限额的，有一个rwnd，也就是接收窗口，那么实际上，发送方窗口的上限=min(rwnd,cwnd)

拥塞控制的本质是控制哪个字段？
header中有一个Window Size字段，它其实是指接收端的窗口，即接收窗口。用来告知发送端自己所能接收的数据量，从而达到一部分流控的目的。

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tcp流量控制（滑动窗口机制）

滑动窗口机理和作用

作用
（1）滑动窗口允许发送方连续发送多个报文
（2）根据对方接收窗口大小限制发送方的发送速率，防止分组丢失

原理
TCP是全双工通信，因此每一方的滑动窗口都包括了接收窗口+发送窗口，接收窗口负责处理自己接收到的数据，发送窗口负责处理自己要发送出去的数据。滑动窗口的本质其实就是维护几个变量，通过这些变量将TCP处理的数据分为几类，同时在发送出一个报文、接收一个报文对这些变量做一定的处理维护。

发送窗口如上图 :
（1）N是发送窗口的起始字节，也就是说：字节序号 < N的字节都已经发送出去且已经收到ack，确认无误了；
（2）nextSeq就是下一次发送报文的首部Seq字段（Seq即b第一个字节的序号，这些这里不讲了），表示字节序号在 [N,nextSeq)区间的都已经使用过，发送出去了，但是还未收到ack确认；
（3） N+size就是窗口的最后一个可用字节序号，size是发送窗口的大小，就是每次接收到的报文中的Win字段的值，Win字段其实就是对方接收窗口的大小。

如何让维护这几个值呢？
（1）每接收到一个一个报文要做如下事情：检查接收报文的ack，将N 置为 ack，即往前移到ack这个值；读取报文中的Win字段值，即对方的最新接收窗口大小，从而更新N+size的值。

（2）每发送一个报文，就更改nextSeq的值，发送了多少个字节就把nextSeq往前移多少，但是不要超出N+size。

同样是维护几个关于字节序号的变量，与发送窗口类似，只不过接收窗口的字节序号都是接收到的字节。几个变量的意义如下：
（1）J1表示：字节序号 < J1的字节已经接收到了，即已经发出ack确认了，也可以说可以给程序使用了。程序读取接收缓冲区k个字节，J1会增加k。
（2）J2表示：[J1，J2）区间的字节已经完整、有序的接收到了，但还在缓冲区，没有发出ack进行确认，随时可以供程序读取。
（3）J3就是接收窗口的最后一个可接收字节，由J1+接收窗口的大小算出。超过J3的字节发来是拒绝接收的（一般也不会收到，因为发送窗口的大小是根据接收窗口来的，不可能会超过）。

滑动窗口原理总结：

因为窗口的起始值在开始后就会慢慢的增加，也就是右移，所以这也是滑动窗口名字的由来。实际上就是在接收报文、发送报文维护几个关于ack 、字节序号、seq（报文起始字节序号）的变量值。关于ack、seq、WinSize总结如下：
（1）发送报文ack是怎么来的，接收到报文时ack又是怎么用的：
发送报文时从接收窗口拿J2的值填到报文首部的 ack；接收报文时拿到ack后将发送窗口的起始值N更新为ack。

（2）发送报文seq是怎么来的，接收到报文时seq又是怎么用的：
发送报文时从发送窗口拿到nextSeq的值填到报文首部的seq字段；接收到报文后查看报文的seq字段是否是接收窗口的J2，是就将J2连续右移报文长度个单位。

（3）发送报文Win是怎么来的，接收到报文时Win又是怎么用的：
发送报文时，从接收窗口拿到 （J3-J2）的这个差值填到首部的Win字段；接收到报文时拿到首部的Win字段的值，假设为size，则更新发送窗口的结束位置为 N+size

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拥塞控制和流量控制的区别：

拥塞控制：
拥塞控制是作用于网络的，它是防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况；常用的方法就是：
（ 1 ）慢开始、拥塞避免
（ 2 ）快重传、快恢复。

流量控制：
流量控制是作用于接收者的，它是控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失的。
当提供的负载继续增大到某一数值时，网络的吞吐量就下降到零，网络无法工作，产生所谓的死锁。解决的方法就是滑动窗口。