TCP拥塞控制

3.7 TCP拥塞控制

3.7.1 TCP拥塞控制概述

什么是网络拥塞

        计算机网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。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，网络的性能就会变坏。这种情况就叫做网络拥塞。

什么是拥塞控制

拥塞控制就是防止过多的数据注入网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制是一个全局性的过程，和流量控制不同，流量控制指点对点通信量的控制。

3.7.2 TCP拥塞控制的原理

假定：
1.数据是单方向传送，而另一个方向只传送确认
2.为了关注拥塞控制以和流量控制形成对比，假设接收方总是有足够大的缓存空间。
3.以TCP报文段的个数为讨论问题的单位，而不是以字节为单位

在上面这三个假设的限制下，会有以下的结论

        发送方维护一个称为拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。特别是，在一个发送方中未被确认的数据量不会超过cwnd与rwnd的最小值。因为在上面假设了接收方的接收缓存足够大，所以可以忽略接收窗口rwnd的限制，因此在发送方中未被确认的报文段仅受限于cwnd。

• 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，但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些。
• 判断出现网络拥塞的依据：当出现丢包事件时，也就是要么出现超时事件，要么收到三个冗余ACK（一个正常的ACK＋三个冗余的ACK），发送方就认为发送方到接收方的路径上出现了拥塞的指示

发送方将拥塞窗口作为发送窗口，即swnd = cwnd

维护一个慢启动阈值ssthresh状态变量：

• 当cwnd < ssthresh时，使用慢启动算法； 
• 当cwnd > ssthresh时，停止使用慢启动算法而改用拥塞避免算法；
• 当cwnd = ssthresh时，即可使用慢启动算法，也可使用拥塞避免算法。

慢启动算法和拥塞避免算法都是TCP的拥塞控制算法，接下来对这几种算法进行介绍

1.慢启动

        在tcp双方建立逻辑连接关系时， 拥塞窗口cwnd的值被设置为1，还需设置慢启动阈值ssthresh，因此发送方当前只能发送一个数据报文段（拥塞窗口cwnd的值是几，就能发送几个数据报文段），接收方收到该数据报文段后，给发送方回复一个确认报文段，发送方收到该确认报文后，将拥塞窗口的值变为2，并继续这样下去。因此，TCP发送速率起始慢，但在慢启动阶段以指数增长。

2.拥塞避免算法

当cwnd > ssthresh时，进入拥塞避免阶段，此时的拥塞窗口缓慢增加，每经过一个往返时间RTT，就把拥塞窗口加1，而不是成倍增加。因此在拥塞避免阶段就有“加法增大”的特点，拥塞窗口按线性规律缓慢增长。

如下图：

红色这一部分就是拥塞避免算法，每次拥塞窗口仅仅增加一个大小，当增加到一定大小时，就碰到了网络超时，即出现网络拥塞。

出现阻塞后调整

当出现阻塞之后，会调整慢启动阈值ssthresh以及拥塞窗口的值：

新的慢开始门限的值：ssthresh=cwnd/2。
        如上图所示，此时cwnd已经增长到了24大小，所以此时ssthresh=24/2=12。

拥塞窗口则再次变为1

调整后的运行过程如下图所示：

如上图所示，当在24出现阻塞后，将cwnd变为了1，将ssthresh变为了12

然后在12之前依旧是进行慢开始算法，在12之后进行拥塞避免算法，直到16发生了3个ACK情况（这个后面讲）又一次出现了网络阻塞。

快重传+快恢复

从上面可知，在16的时候又一次出现了拥塞，而这次拥塞出现的原因就是这3个ACK。这个也就是快重传。

快重传：当发生报文段丢失时，为了让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失，因此立即发送确认，怎样让发送方知道是哪个报文段丢失的方法就是连读发送三个确认。

如下图所示：

当丢失某个数据包时，连续发送三个确认，则发送方就知道某个包丢失了，然后立即启动快重传。

快恢复：发送方知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不执行慢开始，而是执行快恢复算法。

新的慢开始门限的值：ssthresh=cwnd/2。
        如上图所示，此时新的cwnd已经增长到了16大小，所以此时ssthresh=16/2=8。

拥塞窗口不是变为1，而是和门限值一样，此时cwnd=ssthresh=8，然后开始执行拥塞避免算法

如下图所示：

如上图是怎样判断出现了丢包现象，以及出现丢包情况下进行快恢复的流程。

注意：

• 无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢启动阈值设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢启动算法
• 快速恢复是TCP推荐的而非必须的构件。一种称为 TC Tahoe 的TCP 早期版本，不管是发生超时指示的丢包事件，还是发生3个冗余 ACK 指示的丢包事件，都无条件地将其拥塞窗口减至 1个MSS，并进入慢启动阶段。TCP 的较新版本 TCP Reno , 则综合了快速恢复。