將計算機思惟故事化——之計算機網絡TCP擁塞控制算法

互聯網各主機彼此通訊的背後。有無數的信息在互相發送，來往忙碌。爲了形象化這個過程，可以引入中國古代信息傳遞的經典景象——奏章。奏章是古代各層官員向帝王進言陳事的文書，驛卒攜帶奏章前往京城，爲地方官員傳遞奏章，同一時候從京城帶回該奏章的批覆。

在戰爭爆發或天然災害等國事緊急時，奏章頻傳，地方官員常常不能在第一時間內獲得京城的批覆，主要緣由有兩點：

第一。大量傳遞奏章的驛卒都趕往京城。交通出現擁擠。必定程度上添加了驛卒往返的時間；

第二。皇帝審閱奏章速度有限，面對過多的奏章沒法作到及時地批覆。

【在計算機網絡通信中。爲了緩解這兩個問題，分別引入「擁塞控制」和「流量控制」兩種服務：擁塞控制考慮的是整體網絡的負載，防止過多的數據注入網絡，避免通訊時延的添加；流量控制則抑制發送端發送數據的速率，以便接收端來得及接收】

在這裏，只討論怎樣緩解第一種問題（即交通擁擠）帶來的麻煩。因特網的標準定義中有四種擁塞控制辦法來處理這個問題。

【當出現擁塞時，發送端並不能瞭解到擁塞發生的細節，對於通訊鏈接的發送端而言，擁塞每每表現在通訊時延的添加。不能在指望時間內獲得反饋確認】

在國事緊急時期剛開始時，中央規定：第一天，各層官員天天僅僅能上呈一封奏章。皇帝天然可以從容地批覆所有奏章，並讓驛卒帶回批覆，地方官員看到第一天的一封奏章獲得批覆，心照不宣地在次日上呈兩封奏章，同理。假設次日晚上兩封都獲得了批覆，代表第三天可以上呈四封，以此類推……

【這個算法叫作「慢開始算法」。天天上呈奏章數被稱爲「擁塞窗體（cwnd）」,初始時。先令擁塞窗體cwnd=1,每通過一個傳輸輪次（即往返時延RTT）且收到確認，擁塞窗體大小cwnd就會加倍】

隨着一每天過去。地方官員上呈奏章數目呈指數增加。前往京城的驛卒也愈來愈多——快馬飛馳，擾民傷民——京城的交通狀況有了惡化的苗頭，因而朝中治安重臣開始實施新規定：一旦天天上呈的奏章數達到了上限值。在獲得皇帝的批覆後，第二天可上呈的奏章數再也不翻倍，而是僅僅添加一封。

這樣，儘管天天趕往京城的驛卒數還在增加。卻再也不像前段時間那樣指數增加了。

【這個算法叫「擁塞避免算法」，當擁塞窗體大小按指數增加達到上限值(這個值與當前網絡狀態有關，被稱爲「闕值（ssthresh）」)時,每通過一個傳輸輪次（即往返時延RTT）且收到確認，擁塞窗體大小cwnd就加1，而不是加倍】

新規定運行後，趕往京城的驛卒在緩慢添加，直到某天，京城最終出現了交通擁擠的狀況，馬如龜速，以至於驛卒在一天以內不能帶回奏章的批覆，地方官員到了晚上還見不到驛卒回來，知道京城交通出現了問題。而問題的解決辦法就在於本身天天派出的驛卒太多。很是聰明的是。第二天他們又會又一次依照一天一封的規定上呈奏章。而對於治安重臣。京城交通擁擠也應該解決，因而開始反思本身執法過程的漏洞，最後得出的結論是：上限值的大小設置不恰當，因而決定設爲此時驛卒數（即奏章數）的一半。

這樣。地方官員又又一次開始了一天一封的「指數增加階段」，而治安重臣也設定了新的上限值。

總之。新的一輪「指數增加-線性增加」又開始了。

【當網絡出現擁塞時。不論是在「慢開始算法」階段仍是在「擁塞避免算法」階段，僅僅要發送端沒有按時收到確認，網絡就把闕值（ssthresh）設置爲發生擁塞時發送端擁塞窗體（cwnd）的一半，而後把擁塞窗體（cwnd）又一次初始化爲1，又一次運行慢開始算法】

後來，由於京城交通擁擠常發生，因此地方官員僅僅有等到晚上。才知道京城交通發生了擁擠，因此但願能有個小小的預知。如此，治安重臣想出了辦法，因其瞭解京城交通情況，可以提早推斷驛卒可否夠當晚帶回批覆。當了解到某驛卒不能趕回時。他便派遣本身轄下的驛卒，三人一組，出京城直奔地方。告知地方官員沒必要再等晚上的批覆了。

【這個算法叫作「快重傳」，當發送端收到接受端連續三個確認信息時，代表網絡已經出現了擁塞。而發送端沒必要再等待本身預期中的計時器超時】

一旦地方官員提早獲得了消息。知道驛卒又多了，京城又堵了。地方官員又會鬱悶地在第二天開始一天一封的「指數增加階段」。

同一時候，治安重臣也考慮到地方官員大量奏章上呈的願望，也折衷地想了還有一個辦法：在改動上限值爲擁擠時驛卒數一半的同一時候。讓地方官員沒必要又一次從一天一封開始，而是讓天天上呈的奏章數跟新上限值同樣。這樣直接跳過「指數增加」階段，直接進入「線性增加」階段。

【這個算法叫作「快恢復算法」，當發送端收到接受端連續三個確認信息時。即網絡發生擁塞時，網絡把闕值（ssthresh）設置爲出現擁塞時發送端擁塞窗體大小（cwnd）的一半的同一時候，對擁塞窗體大小（cwnd）也相同操做，從而直接運行「擁塞避免算法」，使擁塞窗體大小線性添加】

以上就是標準互聯網定義中TCP擁塞控制的四種算法（慢開始算法、擁塞避免算法、快重傳算法、快恢復算法），當中慢開始算法、擁塞避免算法是擁塞控制的基礎，快重傳算法、快恢復算法是前兩者的改進。

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