【学习笔记】浅析TCP的拥塞控制

这两天看了下基于TCP的端到端的拥塞控制机制，今天下午刚好无事就大概梳理了一下。

其主要流程为慢启动->拥塞避免->快速重传（快速恢复）。

拥塞控制概述

拥塞控制主要依赖于cwnd(拥塞窗口)来进行控制，另外一个rwnd(对端通告的接收窗口)负责流量控制，。窗口值的大小代表能够发出去但还未收到ACK的最大数据报文量。这个窗口值越大数据的发送速度也越快，同样也越容易导致网络拥塞；而如果这个值过小，会导致传送速率下降，当cwnd下降为1时，则退化为一个停等协议，每发送一个数据需要等待对端的确认才能继续发送下一个数据包。所以TCP的拥塞控制算法要做的就是在这之间找一个适当的窗口值，让网络吞吐效率最大化而不产生拥塞。

当同时考虑拥塞控制和流量控制时，TCP真正的发送窗口=min（rwnd，cwnd）。但是rwnd是由对端确定的，网络环境对其没有影响，所以我们这里暂时不对其进行讨论。TCP中cwnd的单位是字节，我们设TCP按MSS（最大报文段）=[上次发送数据量的大小]来发送数据。

慢启动

最开始TCP中并没有设置慢启动时，连接一建立便会向网络发送大量数据，当路由的缓存满时，继续发送数据便导致了网络拥塞（延时，丢包等）。为了避免以上情况，我们便要求连接建立之后，根据网络情况逐步的增加发送的数据量，以避免上述情况发生，这边是慢启动。

具体步骤是将cwnd初始化为1，之后每次收到对端的确认信息便将长度翻倍（即增加一个MSS），这样cwnd的值便按网络往返时间（Round-Trip Time，RTT）呈指数增长,我们将其称作指数增长期。其下面是一个简单的示意图:
　　开始 cwnd = 1 ACK；
经过第一个RTT cwnd = 1*2 = 2ACK；
经过第二个RTT cwnd = 2*2 = 4ACK；
经过第三个RTT cwnd = 4*2 = 8ACK；
……
独自占满带宽（W）的时间为RTT*logW，此处看来慢启动其实并没有那么慢。

拥塞避免

从慢启动看，cwnd的增长其实是很快的，但因为带宽有限，肯定不能让它无休止的增加下去，于是就出现了慢启动门限（ssthresh）变量，当cwnd超过该值时，慢启动阶段结束，进入拥塞避免阶段（对于大多数TCP的实现，ssthresh=65536）。此时的cwnd不再指数增长，而是开始加法增大。每次报文被确认时，cwnd的长度增加1，此时cwnd随着RTT呈线性增长。
【这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络最佳值。——引tcp拥塞控制—w_s_xin】

那么当cwnd继续增加到阈值，发生了网络拥塞，该如何去调整？
首先来看一下TCP是如何判断网络进入了拥塞状态的，TCP认为网络拥塞的重要依据是它重传了报文段。当一个数据包的重传计时器（RTO）超时而没有接受到这个数据的ACK时，TCP认为网络发生了拥塞。【注意：此时只是超时，还未必发生丢包。不过也快了...】

快速重传与快速恢复

接上文，当网络发生了拥塞，则必须对传输进行调整，于是我们引进了快速重传算法，还有快速恢复算法，两者一般一起用。

快速重传的具体判定是这样的：当某个包丢失，连续收到三个相同的ACK时，进入快速恢复阶段。在说明快速恢复之前，先解释一下为何会接收到三个相同的ACK，见下图：

【图引：TCP-SACK的选项—易隐者】
我认为这是一张非常棒的图，直观的说明了问题的原因，其中Client只当收到一个包才会返回一个ACK（返回重复的ACK也要等到新的数据包到来）。

那我们继续说快速恢复的机制，快速恢复的思想是“数据包守恒”原则，即同一时刻在网络中存在的数据包数量是恒定的，只有老数据包离开了网络，新的数据包才能进入。如果发送方收到了一个重复的ACK，说明有一个包离开了网络，于是cwnd+1*MSS。 
【如果能够严格按照该原则那么网络中很少会发生拥塞，事实上拥塞控制的目的也就在修正违反该原则的地方。——引tcp拥塞控制—w_s_xin】

所以综合以上，主要步骤为：
当收到3个重复ACK时，把ssthresh设置为cwnd的一半，把cwnd设置为ssthresh+3*MSS。（加3的原因是因为收到3个重复的ACK，表明有3个老数据包离开了网络。）
重传丢失的数据（将之前丢失的数据打包一次扔过去）。
再收到重复的ACK时，cwnd += MSS。
当收到新的数据包的ACK时，把cwnd设置为第一步中的ssthresh的值（因为该ACK确认了新数据，说明从重复ACK时的数据都已收到，该恢复过程已经结束），再次进入拥塞避免状态。
【注：完成快速重传后使用快速恢复算法，进入的是拥塞避免阶段而非慢启动阶段。——TCP快速重传与快速恢复原理分析—zhangsk】

用下面的图来进行小结：

【图引：百度图片搜索】

【我们现在回顾一下拥塞避免与快速重传算法，其原理可以归纳为AIMD，即加法增大，乘法减小。可以看出TCP的该原则可以较好地保证流之间的公平性，因为一旦出现丢包，那么立即减半退避，可以给其他新建的流留有足够的空间，从而保证整个的公平性。——引tcp拥塞控制—w_s_xin】

选择性确认技术

但是在上文中，快速重发存在一个问题，就是丢包后重新发送的不仅仅是丢失的数据包，而是该包及所有之后的数据包，即之前图中的data-2，data-3，data-4，data-5，而这些数据包中，对端事实上已经接收到除data-2以外的其他包，如此导致的直接问题就是TCP的吞吐量下降。为此，选择性确认（SACK）技术应运而生。

SACK使TCP只需重发交互过程中丢失的包，不用发送后续所有的包，并提供对应机制使接受端通知发送端哪些数据丢失，哪些数据重发了，哪些数据已经提前收到。如此大大提升了收发效率。其原理简图如下：

【图引：TCP-SACK的选项—易隐者】

参考资料

tcp拥塞控制—w_s_xin

TCP SACK选项—易隐者

拥塞控制机制（一）—鱼思故渊

TCP快速重传与快速恢复原理分析—zhangsk