TCP慢启动与拥塞控制笔记

TCP慢启动与拥塞控制笔记

流量控制

传输数据的时候，如果发送方传输的数据量超过了接收方的处理能力，那么接收方会出现丢包。为了避免出现此类问题，流量控制要求数据传输双方在每次交互时声明各自的接收窗口「rwnd」大小，用来表示自己最大能保存多少数据，这主要是针对接收方而言的，通俗点儿说就是让发送方知道接收方能吃几碗饭，如果窗口衰减到零，那么就说明吃饱了，必须消化消化，如果硬撑的话说不定会大小便失禁，那就是丢包了。

接收方和发送方的称呼是相对的，如果站在用户的角度看：当浏览网页时，数据以下行为主，此时客户端是接收方，服务端是发送方；当上传文件时，数据以上行为主，此时客户端是发送方，服务端是接收

慢启动

虽然流量控制可以避免发送方过载接收方，但是却无法避免过载网络，这是因为接收窗口「rwnd」只反映了服务器个体的情况，却无法反映网络整体的情况。

为了避免过载网络的问题，慢启动引入了拥塞窗口「cwnd」的概念，用来表示发送方在得到接收方确认前，最大允许传输的未经确认的数据。「cwnd」同「rwnd」相比不同的是：它只是发送方的一个内部参数，无需通知给接收方，其初始值往往比较小，然后随着数据包被接收方确认，窗口成倍扩大，有点类似于拳击比赛，开始时不了解敌情，往往是次拳试探，慢慢心里有底了，开始逐渐加大重拳进攻的力度。

在慢启动的过程中，随着「cwnd」的增加，可能会出现网络过载，其外在表现就是丢包，一旦出现此类问题，「cwnd」的大小会迅速衰减，以便网络能够缓过来。

说明：网络中实际传输的未经确认的数据大小取决于「rwnd」和「cwnd」中的小值。

拥塞避免

从慢启动的介绍中，我们能看到，发送方通过对「cwnd」大小的控制，能够避免网络过载，在此过程中，丢包与其说是一个网络问题，倒不如说是一种反馈机制，通过它我们可以感知到发生了网络拥塞，进而调整数据传输策略，实际上，这里还有一个慢启动阈值「ssthresh」的概念，如果「cwnd」小于「ssthresh」，那么表示在慢启动阶段；如果「cwnd」大于「ssthresh」，那么表示在拥塞避免阶段，此时「cwnd」不再像慢启动阶段那样呈指数级整整，而是趋向于线性增长，以期避免网络拥塞。

对于一个给定的连接，初始化的cwnd为1个报文段，ssthresh初始值为65535字节。当拥塞发生时（收到确认或者收到重复确认）ssthresh被设置为当前窗口大小的一半，（cwnd和接收方通告窗口大小的最小值，但最少为2个报文段），此外，如果是超时引起的拥塞，则cwnd被设置为1个报文段（这就是慢启动）。

当心的数据被对方确认的时候，就增加cwnd，但增加的方法依赖于我们是否正在进行慢启动或者拥塞避免。如果cwnd小于或者等于ssthresh，则正在进行慢启动，否则正在进行拥塞避免。慢启动一直持续到我们回到当拥塞发生时所处位置一半的时候才停止，然后转为执行拥塞避免。

拥塞避免算法要求每次收到一个确认的时候将cwnd增加1个报文段。与慢启动相比这是一种加性增长。

如何调整「rwnd」到一个合理值

有很多人都遇到过网络传输速度过慢的问题，比如说明明是百兆网络，其最大传输数据的理论值怎么着也得有个十兆，但是实际情况却相距甚远，可能只有一兆。此类问题如果剔除奸商因素，多半是由于接收窗口「rwnd」设置不合理造成的。

实际上接收窗口「rwnd」的合理值取决于BDP的大小，也就是带宽和延迟的乘积。假设带宽是 100Mbps，延迟是 100ms，那么计算过程如下：

BDP = 100Mbps * 100ms = (100 / 8) * (100 / 1000) = 1.25MB

此问题下如果想最大限度提升吞度量，接收窗口「rwnd」的大小不应小于 1.25MB。说点引申的内容：TCP使用16位来记录窗口大小，也就是说最大值是64KB，如果超过它，就需要使用tcp_window_scaling机制。