TCP的擁塞控制 (一)

擁塞控制不一樣於流量控制，擁塞控制是在擁塞發生時，發送方根據必定的反饋，主動調節本身的發送速率，以防止擁塞惡化的行爲。

1.   網絡擁塞

路由器是網絡中的關鍵組件，其內部有必定量的緩衝區，用於緩存來不及轉發(forward，或稱transmit)出去的packet。若是將網絡當作一個總體，那麼一個網絡的鏈路容量(link capacity)就取決於網絡中的路由器的緩衝區大小。鏈路容量越大，整個網絡可容納的outstanding(即在網絡中propagate)的packet就越多。

當網絡中的packet較少時，每一個packet進入路由器，會較快被轉發出去，幾乎沒有延遲。而當網絡中的packet過多時，路由器來不及轉發，大量的packet就會在路由器中排隊，等待轉發(FIFO)，此時packet就有較長的延遲，當緩衝區滿時，後進來的packet甚至會被丟棄(lost packet)。這就是擁塞現象(congestion)。

2.   Duplicate ACK

由TCP的Acknowledgement機制可知，receiver期待能按序地(in sequence)接受下一個packet。當out-of-order packet(亂序包)發生時，receiver(雖然會緩存亂序包)不會將錯就錯地回覆亂序的包，而是堅持請求以前期待的包。receiver會在對應的ACK中指明未接受的packet中序號最小的一個(也就是一直期待的packet)，而不是與錯誤的packet的相鄰的下一個。這樣以來，receiver每收到一個亂序包，都會發送一個與上一個ACK內容相同的ACK，直到收到所期待的packet爲止，這就造成了重複ACK(duplicate ACK)。

重複ACK是網絡擁塞狀況的一個體現，當重複ACK出現時，說明出現了亂序包或者丟包，而亂序包和丟包又是網絡擁塞所致使的，所以重複ACK越頻繁，網絡擁塞越嚴重。

在對網絡擁塞的影響程度上，亂序包和丟包是不一樣的。前者僅僅意味着packet不是按序到達receiver，被跳過的packet極可能會在後面陸續到達，然後者意味着packet不會再到達了，由於已經在網絡上被丟棄了。

能夠看出，對於亂序包，sender是不須要作任何處理的，而對於丟包，sender須要負責重傳丟失的packet。sender爲了有針對性地處理兩種狀況，首先要採起必定的機制區分兩種狀況。統計發現，亂序包形成的重複ACK通常都是1~2個，而丟包形成的重複ACK則是3個及以上。所以，sender能夠根據收到的重複ACK的個數，判斷是否發生了亂序包或者丟包。

3.   Retransmission Timeout

TCP可靠傳輸的核心是重傳機制。當一個packet沒有被receiver接收到時，sender須要重傳該packet，直到receiver接收到packet爲止。

觸發重傳有兩種狀況，且都與ACK有關。最經典的觸發重傳的狀況是超時。當sender發送一個packet以後，即開啓timer，等待對應的ACK，若是在timer結束前收到ACK，則認爲paceket發送成功，不然認爲發送失敗，繼而進行重傳。能夠看出timer的超時時間(RTO, Retransmission Timeout)是觸發重傳的關鍵，那麼sender是如何合理地設置RTO的呢？很顯然，RTO是與當前網絡環境相關的一個變量，須要實時計算獲得。聯想到RTT，能夠猜想RTO與RTT存在必定的聯繫，事實上RTO就是基於SRTT(smoothed RTT)計算獲得的，二者存在線性關係。每當發送一個新的packet時，timer就被設置爲當前RTO，以後每隔500ms更新一次，當收到相應的ACK時，timer就被中止，不然直到timer遞減到0並觸發重傳。計算RTO的具體算法參考RFC6298。

4.   擁塞控制

Congestion Control不一樣於Flow Control，Congestion Control是在擁塞發生時，sender根據必定的反饋，主動調節本身的發送速率，以防止擁塞惡化的行爲。

sender會根據兩種現象探測擁塞的發生：

若是收到來自receiver的3個重複ACK(算上原始ACK，實際上有4個相同的ACK)，則認爲發生了擁塞，而且知道ACK中指明的即爲lost packet。

若是ACK超時(超過RTO仍未收到ACK)，也認爲發生了擁塞，而且這種狀況說明擁塞更加嚴重(由於連重複ACK都沒收到)。

TCP引入了兩個變量：rwnd和cwnd，用於擁塞控制。rwnd是receiver的接收窗口(receive window)的大小，也是它所建議的sender的發送窗口的大小，此變量最初目的是用於flow control中，協調雙方的發送/接收速率。cwnd是sender的擁塞窗口的大小，sender所能發送的packet被限制在該窗口內，考慮到Flow Control裏的發送窗口，sender最終的發送窗口被定義爲min{cwnd, rwnd}，所以LastByteSent – LastByteAcked  <= min{cwnd, rwnd}.

cwnd和rwnd的單位是MSS(maximum segment size)，表示TCP容許的最大單個報文的長度，不包括TCP頭部信息。

能夠粗略地認爲發送窗口的大小就是cwnd。TCP通常在一個 RTT內，將發送窗口裏的packet所有發送出去，所以發送速率爲cwnd/RTT。所以，sender調節本身的發送速率實際上就是調整cwnd的大小。