12.2 拥塞控制简介

12.1.1 拥塞控制的作用

       网络的带宽是有限的，如果到达通信子网中某一部分的包数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿， 这种现象就是网络拥塞。如果把网络中的数据传输比作交通运输的话，拥塞就是交通堵塞。交通堵塞是无法彻底避免的，但可以减少和缓解。遵守交通规则是减少交通堵塞的有效方法，而拥塞控制算法则是网络通信中的“交通规则”。拥塞控制算法的基本原则是：数据发送者需要监控网络中的拥塞状态，一旦发现拥塞则需要减小向网络中注入数据的速度。这就要求实现了拥塞控制的协议具备牺牲精神——牺牲自己，成全大家。但这样也会使一些没有拥塞控制的协议（如UDP）占据了更多的带宽。

12.1.2 流量控制与拥塞控制

        流量控制是指点对点通信量的控制，要求是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收，这是通过滑动窗口实现的（详见6.2 TCP滑动窗口）。拥塞控制的主要功能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。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

12.1.3 拥塞控制算法分类

        拥塞控制算法判断拥塞发生的方法有间接和直接两种。间接方法是通过判断收到的重复ACK（即ack_seq相同）的数量和重传定时器的超时实现的；直接方法是数据接收端或路由器使用显示拥塞通告（Explicit Congestion Notification, ECN）直接告知数据发送端发生了拥塞，发送端可以立即执行拥塞控制来减小数据发生速率而不必等待多个重复的ACK。按照实施阶段和条件的不同拥塞控制算法可以分为：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）4种。通常情况下慢启动和拥塞避免一起使用，快速重传和快速恢复一起使用。

12.1.4 算法原理

        拥塞控制算法为数据发生者增设了一个“拥塞窗口（congestion window，cwnd）”，一次发送数据的字节数不能大于这个cwnd。慢启动和拥塞避免就是用来控制cwnd的：算法设置了一个慢启动阈值（slow start threshold, ssthresh），当cwnd <= ssthresh时执行慢启动，即比较快速地增大cwnd；如果cwnd > ssthresh则进入拥塞避免，即比较慢的增加cwnd。一旦发现拥塞发生则减小ssthresh，重新进行慢启动。

        当TCP数据发送者收到多个重复ACK时需要使用快速重传算法来重传数据而不必等到重传定时器超时，因为收到多个重复ACK往往意味着出现了数据丢失。快速恢复算法负责传输新数据直到收到不重复的ACK，这时意味着正常的数据传输已经恢复。

        ECN可以分为基于IP的和基于TCP的两大类，二者通常是配合使用的。当路由器得知拥塞发生时（队列已满并出现丢包），一个IP包的ECN域被路由器设置为11时，接收端而非发送端被通知路径上发生了拥塞。ECN使用TCP头部的ece和crw标志位通知数据发送端发生拥塞。当发送端主机接收到设置了ECE标志的ACK时，与收到重复ACK一样，开始减少拥塞窗口，执行慢启动过程和拥塞避免算法。