5分钟搞懂ECN

ECN是通过在IP和TCP头中携带拥塞信息，通知发送方网络拥塞状态，从而采取相应拥塞控制措施。原文: What is ECN(Explicit Congestion Notification)?^[1]

ECN是Explicit Congestion Notification的缩写，意思是显式拥塞通知算法，和慢启动重启或者AIMD那样的拥塞控制算法不一样，ECN只做一件事情，即将路由器的拥塞状态通知给发送方。因此，ECN是一种拥塞通知或拥塞信令算法，通知发送方有关拥塞的情况，以便采取相应措施避免拥塞。

ECN是RFC 3168中定义的拥塞信令机制，首次发表于1999年，并在2001年左右定稿。ECN利用TCP报头中的两位和IP报头中的两位标记数据包(标记的意思是在头域中翻转一位)。

=>假设X让人给Z转交一封信。

=>X将信传递给中间人Y。

=>Y先看看自己忙不忙。

=>如果Y比较忙，就在信封的一角用钢笔做个十字记号，然后把信传给下一个人。

=>当Z收到信时，看到信封一角有十字标记，就知道其中一个中间人现在比较忙。

=>Z沿原路径给发送方X发送ACK, ACK信封上带有相同的标记。看到这个标记，X就知道发生了拥塞。

ECN可以与AQM算法一起使用。AQM算法在链路拥塞时会主动丢弃数据包，但如果不是丢包，而是可以标记，那就太好了。由于ECN不会丢弃数据包，从而避免了重传，这就是为什么ECN算法今天非常流行。目的只是让发送方知道路由器发生了拥塞，所以如果可以通过ECN告诉发送方，为什么要丢包呢？此外，丢包没法让发送方立马知道发生了拥塞，而这对于时间敏感型数据包非常重要，因为这种类型的流量不高。

为了使用ECN机制，发送方、接收方和中间的路由器必须全部支持ECN功能。目前，ECN可以在所有操作系统中实现，比如手机、服务器、笔记本电脑，包括路由器等中间设备。但默认情况下是禁用的，原因不是ECN有什么问题，而是因为ECN与AQM算法一起部署，而由于参数配置的原因，AQM并不太受欢迎。

TCP报头中的ECN位:

ECN在TCP头中占用2位，分别是CWR和ECE，注意两者的顺序。

• CWR: Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少标志
• ECE: Echo of Congestion Encountered，拥塞响应

这2位有4种可能组合，每种组合被称为码点(codepoint)。

ECN TCP报头中的码点:

	CWR	ECE	码点	发送自	目标
1	0	0	Non-ECN set up	任意	任意
2	0	1	ECN Echo	接收方	发送方
3	1	0	Congestion window reduced	发送方	接收方
4	1	1	ECN Setup	发送方	接收方

• [0 0]为非ECN设置码点，收发双方都可以发送。X发送给Y这个代码点的意思是X告诉Y它不支持ECN。
• [0 1]为ECN Echo码点，由接收方发送给发送方。如果发送方告诉接收方他支持ECN，接收方会告诉发送方自己是否支持ECN。如果接收方支持ECN，那就用这个码点回复。此外，接收方告诉发送方拥塞时也使用此码点。因此这个码点有两种用法。
• [1 0]为CWR码点，由发送方发送给接收方。此码点用作从发送方发送到接收方的确认，用于告诉接收方，它知道发生了拥塞，已经减小了拥塞窗口大小。
• [1 1]为ECN设置码点，由发送方发送给接收方，告知发送方支持ECN。

ECN协商:

• 第一步: 发送方发送带有ECN设置码点(CWR=1, ECE=1)的SYN包，告诉接收方它支持ECN。在通过三次握手建立TCP连接时，这些信息总是以SYN包的形式传递，而接收方也必须回复ECN的状态。
• 第二步: 如果接收方支持ECN，就发送ECN Echo码点(CWR=0, ECE=1)，表示接收方也启用了ECN。假设接收方不支持ECN，那么回复非ECN设置码点(CWR=0, ECE=0)，表示没有启用ECN。
• 第三步: 现在，发送方和接收方已经交换了ECN信息，可以像正常一样发送数据。

如果发送方和接收方都支持ECN，并且都标记而不是丢弃数据包。但由于路由器不能读取TCP报头，只能读取IP报头，因此在IP报头中也用2位来通知路由器有关ECN的信息。

IP报头中的ECN位:

路由器需要运行AQM并标记数据包，因此必须知道发送方和接收方是否启用了ECN。由于路由器不能访问TCP报头，所以在IP报头中增加了2位作为ECN码点。

第一位被称为ECT(ECN Capable Transport)，第二位被称为CE(Congestion Encountered)。同样会有四个码点，但和之前介绍的不太一样。

IP报头中的ECN码点:

	ECT	CE	码点	发送自	目标
1	0	0	Non-ECT	任意	任意
2	0	1	ECT(1): ECN Capable Transport	发送方	接收方
3	1	0	ECT(0): ECN Capable Transport	发送方	接收方
4	1	1	CE: Congestion Experienced	路由器	接收方

• [0 0]表示非ECT，意思是数据包不支持ECN，因此没有必要标记该数据包。如果有拥塞，那么这个数据包必须被丢弃。
• [0 1]是ECT(0)码点，表示数据包支持ECT。
• [1 0]为ECT(1)码点，也表示数据包支持ECT。如果数据包是ECT(0)或(1)，那么这个数据包将不会被路由器丢弃，而只是会被标记。
• [1 1]为CE码点。当路由器拥塞并且数据包支持ECT时，路由器将该数据包标记为CE。路由器将翻转ECT码点的0位，使其成为CE。路由器不丢包，而只是标记并将其传输给接收者。

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参考资料

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What is ECN(Explicit Congestion Notification)?: https://www.geeksforgeeks.org/what-is-ecnexplicit-congestion-notification

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