TCP—爲何是AIMD？

原文轉自：http://blog.chinaunix.net/uid-28387257-id-4543179.html

說到TCP原理，通常的人談傳輸效率，也就是吞吐率，瞭解的人談公平性，以及收斂性。本篇博文講一下TCP爲何使用AIMD策略，爲何是收斂的？

1.公平性和收斂性

才接觸網絡協議的人可能會問：爲何要收斂和公平？TCP不是傳輸可靠、夠快就好了嗎？
遠遠不夠，由於TCP是端到端的，窗口增減也是試探性的「自適應」方式，網絡是黑盒，這就有不少問題。你本身一我的發包發得快，侵略性強，沒有太大問題。可是若是其餘人也跟你同樣沒有節制的發包呢？這就會形成網絡負載太重，以致於崩潰。公平性和收斂性的出發點就在這裏。讓每個TCP發送端儘量地均分帶寬，同時減小丟包，減輕網絡設備的壓力。這實際上是很難的trade off。TCP窗口老是鋸齒狀地週期抖動，增加-減少，不斷循環，這種探測帶寬的行爲必定會形成丟包，只是或多或少的差異而已。

舉個例子：你如今看動漫《fate/stay night ubw》，已經開始了一段時間，視頻緩衝速度很快。這時候你旁邊的同窗看你這麼入神，發現很好看，因而加入隊伍，也點開視頻。這時候網絡該怎麼分呢？又經過什麼樣的機制分呢？最好的結果固然是均分帶寬，你本身分一半，同窗也分一半，這時候你的視頻緩衝就慢下來了（注1）。公平分配提及來容易，作起來難。怎麼保證徹底均分？這就要靠丟包和延時變更來反映網絡情況。你的同窗加入了，新建的TCP鏈接會嘗試慢啓動，慢啓動其實不慢，窗口指數增加，緩衝速度快速增長，也就是說，他開始搶你的帶寬了。搶到必定時刻，必定會引發丟包，或者延時的急劇增加。這時候，基於丟包或者延時變更的TCP減窗機制起做用了，大家兩個都開始減窗。你減一點，我減一點。這時候你會想：不對啊，我先開始的，速度早就漲上去了，咱們兩個都減，他永遠趕不上我。那麼，開始談第二個問題。

2.AIMD爲何收斂

上面說到減窗，如今廣泛的減窗策略是「乘性減窗」，英文對應「MD」。好比大家固有的帶寬是8M，一開始你本身全佔了，而後同窗開始搶，慢啓動發包很快，因而，交換機緩存扛不住了，丟包了。這時候你的吞吐率是7M，同窗的速率是1M。大家兩個的TCP察覺到丟包後，把速率各減去一半，你有3.5M，他有0.5M。網絡不擁塞了，沒有丟包，那就繼續增窗。該增多少呢？你的帶寬明顯佔優點，同窗有沒有可能得到比你更高的速率呢？怎麼樣增才能達到均分帶寬的目的？如今廣泛的增窗策略是「加性增窗」，英文對應「AI」。也就是每條TCP鏈接在一個RTT內的增量是常數，假設這個加性因子爲200K。那接下來的速率增加就是：你有3.5+0.2=3.7，同窗有0.5+0.2=0.7.

看到這裏，或許有的人就恍然大悟了：這樣增窗，結果是你們的速率都收斂。也許還有人不明白，那就把速率隨時間變化的狀況列出出來：

   3.5     0.5
    3.7     0.7
    3.9     0.9
    4.1     1.1
    ……………………………
    5.5     2.5
    2.75    1.25    MD
    ……………………………
    4.75    3.25
    2.375   1.625   MD
    ……………………………
    4.375   3.625
    2.1875  1.8125  MD
    ……………………………
    4.1875  3.8125  MD
    …………………………… 

從以上速率變化，能夠看出，兩條TCP鏈接的速率在逐漸趨近，這就是AIMD策略的效果：收斂，到最後公平。也許有的人意猶未盡，那就從公式角度再算一次看看。假設flow1的初始窗口爲c1，flow2的初始窗口爲c2。MD減窗過程當中，乘性因子爲beta=0.5，也就是遇到丟包，窗口減一半。AI增窗過程當中，加性因子爲a。因而有：

     c1' = ((c1*0.5 + m*0.2)*0.5 + m*0.2)*0.5 + m*0.2 …………
    這裏m是變化的，表示增窗的次數，直到遇到丟包。可是因爲帶寬有限，因而m能夠視爲常數。
    c1'能夠用等比數列求和公式給出，這裏就不詳細計算了。結論能夠直接告訴你們：
    c1'收斂到跟m和beta有關，跟c1無關的常數。
    c2'也相似。
    收斂性的證實比較複雜，我也懶得在博文裏講這麼學術化的事情。參見(注 2)。 

看到這裏，你也就明白，TCP如何均分帶寬，你同窗又爲何能從你手裏搶到帶寬了。至於減窗是否是過於劇烈，beta能不能設置得更好，變成動態的，增窗因子能不能設置更好，變成動態的。以及能不能拋棄AIMD，使用MIMD，在什麼網絡中能這樣作。這些問題就不是本文的討論範圍了，也許之後會講。

注：（1）視頻傳輸中，實時性視頻用UDP，非實時性視頻用TCP，這裏用人氣動漫舉例，是比較恰當的，動漫不像籃球比賽，沒有太強的實時性。好奇的同窗能夠查閱「牛奶葡萄酒」原則。（2）Jacobson在他著名的論文，SIGCOMM 88中已經證實了收斂性。