TCP 擁塞控制算法

 最近花了些時間在學習TCP/IP協議上，首要緣由是因爲本人長期以來對TCP/IP的認識就只限於三次握手四次分手上，因此但願深刻了解一下。再者，TCP/IP和Linux系統層級的不少設計均可以用於中間件系統架構上，好比說TCP 擁塞控制算法也能夠用於以響應時間來限流的中間件。更深一層，像TCP/IP協議這種基礎知識和原理性的技術，都是通過長時間的考驗的，都是前人智慧的結晶，能夠給你們不少啓示和幫助。

 本文中會出現一些縮寫，由於篇幅問題，沒法每一個都進行解釋，若是你不明白它的含義，請本身去搜索瞭解，作一個主動尋求知識的人。

 TCP協議有兩個比較重要的控制算法，一個是流量控制，另外一個就是阻塞控制。

 TCP協議經過滑動窗口來進行流量控制，它是控制發送方的發送速度從而使接受者來得及接收並處理。而擁塞控制是做用於網絡，它是防止過多的包被髮送到網絡中，避免出現網絡負載過大，網絡擁塞的狀況。

 擁塞算法須要掌握其狀態機和四種算法。擁塞控制狀態機的狀態有五種，分別是Open，Disorder，CWR，Recovery和Loss狀態。四個算法爲慢啓動，擁塞避免，擁塞發生時算法和快速恢復。

Congestion Control State Machine

 和TCP同樣，擁塞控制算法也有其狀態機。當發送方收到一個Ack時，Linux TCP經過狀態機(state)來決定其接下來的行爲，是應該下降擁塞窗口cwnd大小，或者保持cwnd不變，仍是繼續增長cwnd。若是處理不當，可能會致使丟包或者超時。

1 Open狀態

 Open狀態是擁塞控制狀態機的默認狀態。這種狀態下，當ACK到達時，發送方根據擁塞窗口cwnd(Congestion Window)是小於仍是大於慢啓動閾值ssthresh(slow start threshold)，來按照慢啓動或者擁塞避免算法來調整擁塞窗口。

2 Disorder狀態

 當發送方檢測到DACK(重複確認)或者SACK(選擇性確認)時，狀態機將轉變爲Disorder狀態。在此狀態下，發送方遵循飛行(in-flight)包守恆原則，即一個新包只有在一個老包離開網絡後才發送，也就是發送方收到老包的ACK後，纔會再發送一個新包。

3 CWR狀態

 發送方接收到一個擁塞通知時，並不會馬上減小擁塞窗口cwnd，而是每收到兩個ACK就減小一個段，直到窗口的大小減半爲止。當cwnd正在減少而且網絡中有沒有重傳包時，這個狀態就叫CWR(Congestion Window Reduced，擁塞窗口減小)狀態。CWR狀態能夠轉變成Recovery或者Loss狀態。

4 Recovery狀態

 當發送方接收到足夠(推薦爲三個)的DACK(重複確認)後，進入該狀態。在該狀態下，擁塞窗口cnwd每收到兩個ACK就減小一個段(segment)，直到cwnd等於慢啓動閾值ssthresh，也就是剛進入Recover狀態時cwnd的一半大小。
 發送方保持 Recovery 狀態直到全部進入 Recovery狀態時正在發送的數據段都成功地被確認，而後發送方恢復成Open狀態，重傳超時有可能中斷 Recovery 狀態，進入Loss狀態。

5 Loss狀態

 當一個RTO(重傳超時時間)到期後，發送方進入Loss狀態。全部正在發送的數據標記爲丟失，擁塞窗口cwnd設置爲一個段(segment)，發送方再次以慢啓動算法增大擁塞窗口cwnd。

 Loss 和 Recovery 狀態的區別是:Loss狀態下，擁塞窗口在發送方設置爲一個段後增大，而 Recovery 狀態下，擁塞窗口只能被減少。Loss 狀態不能被其餘的狀態中斷，所以，發送方只有在全部 Loss 開始時正在傳輸的數據都獲得成功確認後，才能退到 Open 狀態。

四大算法

 擁塞控制主要是四個算法：1）慢啓動，2）擁塞避免，3）擁塞發生，4）快速恢復。這四個算法不是一天都搞出來的，這個四算法的發展經歷了不少時間，到今天都還在優化中。

慢熱啓動算法 – Slow Start

 所謂慢啓動，也就是TCP鏈接剛創建，一點一點地提速，試探一下網絡的承受能力，以避免直接擾亂了網絡通道的秩序。

 慢啓動算法：

1) 鏈接建好的開始先初始化擁塞窗口cwnd大小爲1，代表能夠傳一個MSS大小的數據。
2) 每當收到一個ACK，cwnd大小加一，呈線性上升。
3) 每當過了一個往返延遲時間RTT(Round-Trip Time)，cwnd大小直接翻倍，乘以2，呈指數讓升。
4) 還有一個ssthresh（slow start threshold），是一個上限，當cwnd >= ssthresh時，就會進入「擁塞避免算法」（後面會說這個算法）

擁塞避免算法 – Congestion Avoidance

 如同前邊說的，當擁塞窗口大小cwnd大於等於慢啓動閾值ssthresh後，就進入擁塞避免算法。算法以下：

1) 收到一個ACK，則cwnd = cwnd + 1 / cwnd
2) 每當過了一個往返延遲時間RTT，cwnd大小加一。

 過了慢啓動閾值後，擁塞避免算法能夠避免窗口增加過快致使窗口擁塞，而是緩慢的增長調整到網絡的最佳值。

擁塞狀態時的算法

 通常來講，TCP擁塞控制默認認爲網絡丟包是因爲網絡擁塞致使的，因此通常的TCP擁塞控制算法以丟包爲網絡進入擁塞狀態的信號。對於丟包有兩種斷定方式，一種是超時重傳RTO[Retransmission Timeout]超時，另外一個是收到三個重複確認ACK。

 超時重傳是TCP協議保證數據可靠性的一個重要機制，其原理是在發送一個數據之後就開啓一個計時器，在必定時間內若是沒有獲得發送數據報的ACK報文，那麼就從新發送數據，直到發送成功爲止。

 可是若是發送端接收到3個以上的重複ACK，TCP就意識到數據發生丟失，須要重傳。這個機制不須要等到重傳定時器超時，因此叫
作快速重傳，而快速重傳後沒有使用慢啓動算法，而是擁塞避免算法，因此這又叫作快速恢復算法。

 超時重傳RTO[Retransmission Timeout]超時，TCP會重傳數據包。TCP認爲這種狀況比較糟糕，反應也比較強烈：

• 因爲發生丟包，將慢啓動閾值ssthresh設置爲當前cwnd的一半，即ssthresh = cwnd / 2.
• cwnd重置爲1
• 進入慢啓動過程

 最爲早期的TCP Tahoe算法就只使用上述處理辦法，可是因爲一丟包就一切重來，致使cwnd又重置爲1，十分不利於網絡數據的穩定傳遞。

 因此，TCP Reno算法進行了優化。當收到三個重複確認ACK時，TCP開啓快速重傳Fast Retransmit算法，而不用等到RTO超時再進行重傳：

• cwnd大小縮小爲當前的一半
• ssthresh設置爲縮小後的cwnd大小
• 而後進入快速恢復算法Fast Recovery。

快速恢復算法 – Fast Recovery

 TCP Tahoe是早期的算法，因此沒有快速恢復算法，而Reno算法有。在進入快速恢復以前，cwnd和ssthresh已經被更改成原有cwnd的一半。快速恢復算法的邏輯以下：

• cwnd = cwnd + 3 MSS，加3 MSS的緣由是由於收到3個重複的ACK。
• 重傳DACKs指定的數據包。
• 若是再收到DACKs，那麼cwnd大小增長一。
• 若是收到新的ACK，代表重傳的包成功了，那麼退出快速恢復算法。將cwnd設置爲ssthresh，而後進入擁塞避免算法。

 如圖所示，第五個包發生了丟失，因此致使接收方接收到三次重複ACK，也就是ACK5。因此將ssthresh設置噹噹時cwnd的一半，也就是6/2 = 3，cwnd設置爲3 + 3 = 6。而後重傳第五個包。當收到新的ACK時，也就是ACK11，則退出快速恢復階段，將cwnd從新設置爲當前的ssthresh，也就是3，而後進入擁塞避免算法階段。

後記

 本文爲你們大體描述了TCP擁塞控制的一些機制，可是這些擁塞控制仍是有不少缺陷和待優化的地方，業界也在不斷推出新的擁塞控制算法，好比說谷歌的BBR。這些咱們後續也會繼續探討，請你們繼續關注。

我的博客：Remcarpediem

引用

• Congestion Control in Linux TCP
• TCP BBR算法與Reno/CUBIC的對比