TCP的擁塞控制

一、前言：什么是擁塞？什么是擁塞控制？

• 擁塞：隨著網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)增加其發(fā)送速率并使網(wǎng)絡(luò)變得十分擁擠，此時(shí)會(huì)經(jīng)常發(fā)生丟包現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率急劇降低。分組的超時(shí)重傳通常被作為網(wǎng)絡(luò)擁塞的標(biāo)志。

• 如果不對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行控制，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨著輸入負(fù)荷的增大而下降，降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，如下圖：

  

二、TCP的4種擁塞控制算法(慢開始、擁塞避免、快重傳、快恢復(fù))

• 為了便于討論做一下假設(shè)
  1. 數(shù)據(jù)是單方向傳送的，另一個(gè)方向只傳輸確認(rèn)
  2. 接收方的總是有足夠大的緩沖區(qū)，因此發(fā)送方的發(fā)送窗口僅由網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度決定，事實(shí)上發(fā)送窗口的大小由擁塞窗口和接收方的接收窗口大小共同控制，也即發(fā)送窗口 = min[接收窗口, 擁塞窗口]；
  3. 以最大報(bào)文段MSS的個(gè)數(shù)作為討論單位，而不是以字節(jié)為單位
• 發(fā)送方維護(hù)一個(gè)叫做擁塞窗口cwnd(congestion window)的狀態(tài)變量，其值取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，動(dòng)態(tài)變化
  • 擁塞窗戶的維護(hù)原則：只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，cwnd就增大一些；但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些
  • 以分組發(fā)生超時(shí)重傳作為發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的依據(jù)
• TCP還維護(hù)一個(gè)慢開始門限ssthresh狀態(tài)變量
  • 當(dāng)cwnd < ssthresh時(shí)，使用慢開始算法
  • 當(dāng)cwnd > ssthresh時(shí)，使用擁塞避免算法
  • 當(dāng)cwnd = ssthresh時(shí)，既可以使用慢開始算法，也可以使用擁塞避免算法
• 當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)正常丟包，但又不是網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，使用快重傳算法和快恢復(fù)算法
  • 如何判斷是發(fā)生了正常丟包而不是網(wǎng)絡(luò)擁塞呢？
  • 當(dāng)發(fā)送方連續(xù)接收到3次重復(fù)確認(rèn)時(shí)，說明這網(wǎng)絡(luò)不擁塞，只是正常丟包了

① 慢啟動(dòng)(慢開始)

• 傳輸輪次：指把發(fā)送窗口內(nèi)可以發(fā)送的數(shù)據(jù)全部發(fā)送并接收到最后一個(gè)TCP報(bào)文的確認(rèn)報(bào)文這樣一個(gè)來回

• 通常在一條TCP連接開始時(shí)，cwnd被設(shè)置為1個(gè)MSS（最大報(bào)文段），也即cwnd=1
• 該階段，每當(dāng)TCP發(fā)送方將發(fā)送窗口的數(shù)據(jù)發(fā)送完，并順利接收到所有的確認(rèn)后，就會(huì)將擁塞窗口大小翻倍，也即慢啟動(dòng)階段，cwnd以指數(shù)形式增長(zhǎng)，如上圖所示；注意這里忽略了接收窗口的影響，上文也提到了。
• 擁塞窗口會(huì)一直增長(zhǎng)直到到達(dá)慢開始門限ssthresh，開始執(zhí)行擁塞避免算法

② 擁塞避免

• 該階段的擁塞窗口變?yōu)?mark>線性增長(zhǎng)，每次cwnd+1，也即每次增加一個(gè)MSS

• 隨著擁塞窗口的增加，發(fā)送速率不斷提高，當(dāng)TCP遇到分組超時(shí)重傳時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)擁塞
  1. 此時(shí)將更新ssthresh的值為當(dāng)前擁塞窗口的一半，上圖中是更新為24的一半即12
  2. 更新cwnd的值為1
  3. 然后繼續(xù)執(zhí)行慢啟動(dòng)—擁塞避免，如上圖所示
• 如果TCP發(fā)送方接收到連續(xù)的3個(gè)重復(fù)確認(rèn)，則認(rèn)為是正常的網(wǎng)絡(luò)包丟失，而不是網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的（這正是快重傳算法的功勞）
  1. 重傳丟失的分組
  2. 執(zhí)行快恢復(fù)算法

③ 快重傳

• 所謂的快重傳算法，就是讓發(fā)送方盡快重傳，而不是等待超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳
  • 要求接收方不要等待自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才捎帶確認(rèn)，而是要立即發(fā)送確認(rèn)
  • 即使是失序的報(bào)文段，也要立即發(fā)送對(duì)已收到的報(bào)文段的重復(fù)確認(rèn)
  • 發(fā)送方一旦收到3個(gè)連續(xù)的重復(fù)確認(rèn)，就將相應(yīng)的報(bào)文段立即重傳，而不是等待該報(bào)文的重傳計(jì)時(shí)器超時(shí)再重傳
• 如下圖所示：

④ 快恢復(fù)

• 如果發(fā)送方收到了3個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就執(zhí)行快恢復(fù)算法
  • 將慢開始門限sstresh和擁塞窗口cwnd都設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半，然后執(zhí)行擁塞避免算法

三、一個(gè)糅合了4種擁塞控制算法的例子

1. 最初cwnd=1，ssthresh=16，執(zhí)行慢開始算法，cwnd大小指數(shù)增長(zhǎng)
2. cwnd到達(dá)慢開始門限ssthresh后，轉(zhuǎn)而執(zhí)行擁塞避免算法，cwnd線性加一增長(zhǎng)
3. 隨著發(fā)送速率的增加，若發(fā)生超時(shí)重傳，則將慢開始門限ssthresh減小為當(dāng)前擁塞窗口的一半、再將擁塞窗口cwnd設(shè)置為1，然后執(zhí)行慢開始-–擁塞避免，重復(fù)1、2
4. 若發(fā)送方收到3個(gè)重復(fù)確認(rèn)，則表示分組丟失，發(fā)送方立刻重傳相應(yīng)分組；然后執(zhí)行快恢復(fù)算法
5. 將慢開始門限ssthresh和擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為當(dāng)前擁塞窗口的一半，然后執(zhí)行擁塞避免算法

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