TCP流量控制、拥塞控制

为何需要流量控制？

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。

实现

利用滑动窗口机制，接收方在返回的ACK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。

举个例子：

A向B发送数据。在连接建立时，B告诉A接收窗口大小rwnd(receiver window)为400，因此发送方A的发送窗口不能超过400字节。B向A发送的三个报文段都设置了 ACK = 1以保证字段有效

后面的rwnd值就是接收方对发送方的三次流量控制。第一次把窗口设置为300，第二次100，最后一次为0，即不允许发送方再发送数据的状态。

但是当某个ACK报文丢失了，就会出现A等待B确认，并且B等待A发送数据的死锁状态。为了解决这种问题，TCP引入了持续计时器（Persistence timer），当A收到rwnd=0时，就启用该计时器，时间到了则发送一个1字节的探测报文，询问B是很忙还是上个ACK丢失了，然后B回应自身的接收窗口大小，返回仍为0（A重设持续计时器继续等待）或者会重发rwnd=x。

为何需要拥塞控制？

网络中的链路容量、交换结点中的缓存、处理机等等都有着工作的极限，当网络的需求超过它们的工作极限时，就出现了拥塞。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。

慢启动（Slow-Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）结合

发送方维护一个叫做拥塞窗口的变量，只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的数据发送出去。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数据。

• 慢开始算法

  开始发送数据时，并不清楚网络的负荷情况，会先发送一个1字节的试探报文，当收到确认后，就发送2个字节的报文，继而4个，8个以此指数类推。（小到大）

  需要注意的是，慢开始的“慢”并不是指拥塞窗口的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文时先设置拥塞窗口=1。

• 拥塞避免算法

  让拥塞窗口缓慢地增大，即cwnd加1，而不是如慢开始算法一样加倍。

算法结合实例：

cwnd.jpg

为了防止拥塞窗口cwnd增长过快需要设置一个阈值ssthresh，这里是16。

1. 当cwnd
2. 当cwnd>ssthresh时，停止慢开始算法，改用拥塞避免算法。
3. 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。

无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方没有收到确认（定时器超时），就认为这时候拥塞了，就要把慢开始阈值ssthresh设置为此时发送方窗口值的一半（上例中是把发送方窗口值24修改为12）。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。

快重传（Fast Retransmit）和快恢复（Fast Recovery）结合：

如果发送端接收到3个以上的重复ACK，不需要等到重传定时器溢出就重新传递，所以叫做快速重传，而快速重传以后，因为走的不是慢启动而是拥塞避免算法，所以这又叫做快速恢复算法。

如果没有快速重传和快速恢复，TCP将会使用定时器来要求传输暂停。在暂停这段时间内，没有新的数据包被发送。

快速重传和快速恢复旨在快速恢复丢失的数据包。

cwnd2.jpg

接收方发现M3丢失，则立即发送对M2的重复确认。一旦发送方一连收到三个M2的重复确认就应当立即重传M3，也就是发送方收到第四个对M2的确认时。

cwnd3.jpg

1. 当发送方在cwnd=24时连续收到三个重复确认，就把慢开始门限ssthresh减半（就是上图中的24修改为12）。
2. 接下来不执行慢开始算法，而是把cwnd值设置为门限ssthresh减半后的数值（即cwnd不是设置为1而是设置为12），然后开始执行的是拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大。

为何替换慢开始算法呢？

因为收到重复的ACK不仅仅告诉我们一个分组丢失了，由于接收方只有在收到另一个报文段时才会产生重复的ACK，所以还告诉我们该报文段已经进入了接收方的缓存。也就是说，在收发两端之间仍然有流动的数据，而我们不想执行慢启动来突然减少数据流。

TCP窗口的大小设定

TCP真正的发送窗口需要考虑拥塞控制和流量控制两个方面的内容，因此TCP的真正的发送窗口=min(rwnd, cwnd)。但是rwnd是接收方缓存窗口大小，与网络无关；cwnd是拥塞窗口大小，与网络相关