TCP擁塞控制：數據包守恆、慢啓動、擁塞避免、快重傳

時間 2019-11-06

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TCP擁塞控制的起源

1986年，從LBL到UC Berkeley的網絡吞吐由於擁塞出現了從32Kbps到40bps的急劇降低，Van Jacobson 在1988年的論文《Congestion Avoidance and Control》從這個問題出發，提出了數據包守恆定律以及慢啓動、擁塞控制和快重傳的算法，在1990年又提出了快恢復算法。算法

數據包守恆原則

在一個運行平穩的TCP鏈接中流動的數據包應該是守恆的，意思是當只有舊的數據包被成功傳輸到對端後，新的數據包才能加入到鏈接中。在TCP協議中，咱們可使用ack來做爲判斷數據包是否已經成功到達對端的依據，就是說當發送端收到good ack（大於發送端當前已經收到的最大ack的ack）時，它就能夠發送新的數據包了。這種根據ack來決定繼續發送數據包的機制就叫作self clocking（也叫作ack clocking）。網絡

慢啓動

經過數據包守恆原則，咱們知道能夠經過ack來決定是否發送新的數據，而要收到ack就要先發送數據。慢啓動就開始發送數據時的行爲控制。慢啓動的整體思路就是從一個很低的初始值開始，逐漸增長數據發送的速度，直到達到超時或者丟包爲止。慢啓動的實現思路以下：code

每一個鏈接維護一個變量cwnd（congestion window）
當鏈接剛創建或者遇到丟包時，將cwnd設置爲1，單位爲MSS（maximum segment size）
每收到一個新的ack，cwnd加一
當發送數據時，可以發送的數據包數量爲min(cwnd,awnd)，awnd爲接收端的滑動窗口大小(reciver's advertised window)

能夠預見，在沒有出現超時或者丟包時，慢啓動增加的速度是指數級的，因此慢啓動實際上並無那麼「慢」，「慢」是慢在它的起點只有1個MSS。ci

擁塞避免

前面提到，慢啓動的目的是逐漸增長髮送速度進行試探，直到出現網絡擁塞，而真正出現擁塞時又該怎麼作呢，就是「擁塞避免」所作的事情了。擁塞避免主要由兩部分組成：資源

一個判斷當前網路出現擁塞的機制
在出現擁塞時下降發送速度的機制

而擁塞避免的實現思路以下：io

當出現超時時，將cwnd設置爲當前值的一半（即當出現超時時就認爲是出現了擁塞）
每收到一個新的ack，cwnd加1/cwnd（即當傳輸成功cwnd個數據包時，窗口大小加一，也就是隨着RTT線性增長）

這裏的兩個變動cwnd的行爲一般稱爲「乘法減少」和「加法增大」。class

結合慢啓動和擁塞避免的算法

值得注意的是，慢啓動和擁塞避免其實是兩個不一樣的算法，它們一個用於試探網絡資源的上限，另外一個用於資源使用率達到或者接近上限時的行爲。在1988年的論文中給出了一個結合了慢啓動和擁塞避免的算法，具體實現思路以下：變量

發送端維持兩個變量：擁塞窗口cwnd（congestion window）和慢啓動門限ssthresh（slow start threshold），經過這兩個變量來決定當前應該執行慢啓動仍是擁塞避免算法。
發送數據時，可以發送的數據包數量爲min(cwnd,awnd)
出現超時時，ssthresh更新爲cwnd/2（但不能小於2），cwnd設置爲1
每收到一個新的zck，發送端的行爲是:
- 若是cwnd<ssthresh，cwnd+=1（慢啓動階段，窗口指數級別增長）
- 不然cwnd+=1/cwdn（擁塞避免階段，窗口線性增長）

快重傳

快速重傳的目的就是讓發送端儘快感知到丟包。TCP發送方在每發送一個分段時會啓動一個計時器，若是相應的數據包確認沒在特定時間內被送回，發送方就假設這個分段在網絡上丟失了，須要重發。這也是TCP用來估計RTT的測量方法。sed

重複確認

重複確認基於如下過程：若是接收方接收到一個數據分段，就會將該分段的序列號加上數據字節長的值，做爲分段確認的確認號，發送回發送方，表示指望發送方發送下一個序列號的分段。可是若是接收方提早收到更大的序列號的分段，或者說接收到無序到達的分段，接收方須要當即使用以前的確認號發送分段確認。此時若是發送方收到接收方相同確認號的分段確認超過1次，而且該對應序列號的分段超時計時器仍沒超時的話，則這就是出現重複確認，須要進入快速重傳。方法

快送重傳就是基於如下機制：若是假設重複閾值爲3，當發送方收到4次相同確認號的分段確認（第1次收到確認指望序列號，加3次重複的指望序列號確認）時，則能夠認爲繼續發送更高序列號的分段將會被接受方丟棄，並且會沒法有序送達。發送方應該忽略超時計時器的等待重發，當即重發重複分段確認中確認號對應序列號的分段。