TCP拥塞控制原理

在学习TCP拥塞控制之前，我想向大家分享两个知识点。不知道大家有没有跟我一样的困惑，我们整天说着网络协议、TCP/IP协议了的，那么协议到底是什么呢？ “协议栈”又是什么呢？

协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称为协议。

协议栈：网络中各层协议的总和；由于网络各层画在一起很像一个栈的结构，遂被称为协议栈。

言归正传啦！在网络协议中，TCP和UDP是经常被提及的两个概念。关于TCP与UDP的区别，也是很重要的。

1. TCP与UDP的区别：

	TCP	UDP
连接性	面向连接	无连接
可靠性	可靠	不可靠
传输内容	字节流	报文段
传输效率	一般	高于TCP
流量控制	滑动窗口	无
拥塞控制	慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复	无

2. TCP 的流量控制

 一般说来，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。

流量控制（flow control）就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

在TCP中，利用滑动窗口来进行流量控制。

滑动窗口:
       TCP流量控制的一种手段。这里说的窗口是指接收通告窗口(Receiver Window, RWND)。

       它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，对方就可以控制发送数据的速度。因此发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。

3. TCP 的拥塞控制

在计算机网络中的链路容量( 即带宽)、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞(congestion)。

为了防止网络的拥塞现象，TCP提出了一系列的拥塞控制机制。

                                           拥塞控制所起的作用

（1）慢启动

慢启动算法思路：

当主机开始发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。经验证明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。

通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为1个最大报文段（MSS）的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。

用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口cwnd， 可以使分组注入到网络的速率更加合理。

（2）拥塞避免

拥塞避免算法思路：

让拥塞窗口cwnd 缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加1，而不是加倍。

这样，拥塞窗口cwnd 按线性规律缓慢增长，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的最佳值。比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

注意！！！

无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有按时收到确认），就要把慢开始门限（ssthresh）设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半（但不能小于2）。

然后把拥塞窗口 cwnd 重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

（3）快重传

快重传算法：

首先要求接收方每收到一个失序的报文段后，就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方)，而不要等待自己发送数据时才进行捎带确认。

快重传做的事情有：

① 把慢开始门限ssthresh 设置为 拥塞窗口cwnd 的一半

② 把拥塞窗口cwnd 再设置为慢开始门限ssthresh 的值（具体实现有些为ssthresh+3）

③ 重新进入拥塞避免阶段。

（4）快恢复

快恢复算法是与快重传配合使用的。

快恢复算法过程要点：

① 当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。这是为了预防网络发生拥塞。

② 发送方认为现在网络很可能没有发生拥塞（如果网络发生了严重的拥塞，就不会一连有好几个报文段连续到达接收方，就不会导致接收方连续发送重复确认），因此，现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口cwnd现在不设置为1），而是把 cwnd 值设置为慢开始门限ssthresh 减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法(“ 加法增大”)，使拥塞窗口缓慢地线性增大。

总结

如下图所示，描述了从连续收到3个重复的确认转入拥塞避免：

附：目前有非常多的TCP的拥塞控制协议，例如：

• 基于丢包的拥塞控制：将丢包视为出现拥塞，采取缓慢探测的方式，逐渐增大拥塞窗口，当出现丢包时，将拥塞窗口减小，如 Reno、Cubic 等。
• 基于时延的拥塞控制：将时延增加视为出现拥塞，延时增加时增大拥塞窗口，延时减小时减小拥塞窗口，如 Vegas、FastTCP 等。
• 基于链路容量的拥塞控制：实时测量网络带宽和时延，认为网络上报文总量大于带宽时延乘积时出现了拥塞，如 BBR。
• 基于学习的拥塞控制：没有特定的拥塞信号，而是借助评价函数，基于训练数据，使用机器学习的方法形成一个控制策略，如 Remy。