TCP的流量控制与拥塞控制

最近在读《TCP-IP详解卷一》，联想到面经里有关于流量控制与拥塞控制的相关问题，写下该知识点记录下。

分析

根据《TCP-IP详解》的说法，早期的TCP实现是没有拥塞控制的，而是之后为了应对网络带宽问题才出现的拥塞窗口，那么我们从流量控制入手来分析，然后再看只有流量控制的TCP协议所出现的问题。最后在看拥塞控制有没有解决该问题。

流量控制（滑动窗口）

现在有一个C/S模型，C作为发送方，S作为接受方。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。
所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。

设A向B发送数据。在连接建立时，B告诉了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(这里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。注意，TCP的窗口单位是字节，不是报文段。假设每一个报文段为100字节长，而数据报文段序号的初始值设为1。大写ACK表示首部中的确认位ACK，小写ack表示确认字段的值ack。

流量控制.png

从图中可以看出，B进行了三次流量控制。第一次把窗口减少到 rwnd = 300 ，第二次又减到了 rwnd = 100 ，最后减到 rwnd = 0 ，即不允许发送方再发送数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B重新发出一个新的窗口值为止。B向A发送的三个报文段都设置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1时确认号字段才有意义。
TCP为每一个连接设有一个持续计时器(persistence timer)。只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口控测报文段（携1字节的数据），那么收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。

问题

从A到B的数据现在有了流量控制，可以保证每次发送的数据大小在B的承受范围之内，但是你叫我发多少字节数据，我就发多少，我大A岂不是很没有面子（笑）。
其实是因为发送的数据包大小仅受接受方的控制就很理想化，因为网络带宽是有限制，且可用带宽并不是一个确定的值（所谓网卡了，差不多这个意思。）
由于TCP是一种安全可靠的协议，其安全性主要靠重传机制保证，网络波动，造成大量数据包丢失，触发重传在加上后面要发的数据包，网络会越来越卡。
所以A到B的数据包大小，应受到两方面的，一：当前B的承载上限，二：当前的网络状态。

TCP拥塞控制

发送方维持一个拥塞窗口 cwnd ( congestion window )的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。
发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。

慢开始算法：

当主机开始发送数据时，如果立即所大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。
因此，较好的方法是 先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。
通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

拥塞控制.png

每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT。不过“传输轮次”更加强调：把拥塞窗口cwnd所允许发送的报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字节的确认。
另，慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况），然后再逐渐增大cwnd。

为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。慢开始门限ssthresh的用法如下：
当 cwnd < ssthresh 时，使用上述的慢开始算法。
当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞控制避免算法。

拥塞避免

让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。
无论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（其根据就是没有收到确认），就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送 方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。
这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生 拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。
如下图，用具体数值说明了上述拥塞控制的过程。现在发送窗口的大小和拥塞窗口一样大。

拥塞避免.png

总结来说，拥塞控制就是TCP发送方虽然受到了接收方的建议数据长度，但是TCP发送方也不知道传输路径的负载能力如何，因此TCP的发送方一开始只发送一小段数据，而收到ACK之后，在增加每次发送的数据，直到达到处理方的接受能力上限或者传输路径的负载能力上限。类似于我直到河有多款，但不知道水有多深，需要摸着石头过河。发送方每次发送数据的长度，就是拥塞窗口的大小。
所以拥塞窗口代表对数据发送方处理的成熟机制，不再只受限于接受方。