TCP-IP详解: 慢启动和拥塞控制

[jangdelong]

在网络实际的传输过程中，会出现拥塞的现象，网络上充斥着非常多的数据包，但是却不能按时被传送，形成网络拥塞，其实就是和平时的堵车一个性质了。TCP设计中也考虑到这一点，使用了一些算法来检测网络拥塞现象，如果拥塞产生，变会调整发送策略，减少数据包的发送来缓解网络的压力。

拥塞控制主要有四个算法：

1. 慢启动

2. 拥塞避免

3. 拥塞发生时，快速重传

4. 快速恢复

慢启动算法

之前介绍的滑动窗口能够让协议栈同时发送多个报文段，这样可以提高网络通信的效率，对于一些处理能力不佳的中间路由器，很可能会导致存储被耗尽的状况，从而严重降低了TCP连接的吞吐量，不断的重传. 非常的可怕， 介于此，引入了慢启动这个算法。

慢启动为发送方的TCP增加了一个窗口：拥塞窗口，记为cwnd，初始化之后慢慢增加这个cwnd的值来提升速度。同时也引入了ssthresh门限值，如果cwnd达到这个值会让cwnd的增长变得平滑，算法如下

1. 连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据

2. 每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升

3. 每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升

4. 当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”

拥塞避免算法

从慢启动可以看到，cwnd可以比较快的增长，但是不能一直无限增长，需要某个限制，TCP使用了ssthresh的变量，当cwnd超过这个值后，慢启动过程结束，进入拥塞避免阶段。拥塞避免的主要思想是加法增大，也就是让cwnd的值线性增加，此时当窗口中所有的报文段都被确认是，cwnd的大小才加1，cwnd的值随着RTT线性增加，这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加到网络的最佳值。 算法：

1. 收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2. 当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

图示

结合图来看下数据发送过程中慢启动和拥塞避免算法的使用情况

1. 连接建立，开始传输数据，cwnd = 1 , ssthresh的初始值为16，发送第一个包

2. 发送端收到一个确认后，cwnd加1，于是可以 发送2个数据包

3. 收到2个ACK之后，这个时候cwnd + 2 , 于是可以发送4个数据包

4. 收到4个ACK后，这个时候cwnd + 4 ,于是可以发送8个数据包， 可以看到这个时间段，cwnd随着传输轮次的增长，成指数增长

5. 当拥塞的窗口达到ssthresh后，慢启动算法结束，开始进入拥塞避免算法

6. cwnd按照一个RTT进行+1的线性增加，假设到达24时，出现网络拥塞

7. ssthresh = 1/2 * cwnd = 12, cwnd = 1 继续重新执行慢启动算法

8. 同样当cwnd = 12时 执行拥塞避免算法

其中第7步属于对网络拥塞的一种处理， 什么状态下才会认为是拥塞？ 基本上就认为是有丢包产生，在前面知道丢包产生会有2中处理方法超时重传和快速重传，其中如果RTO超时的时候，TCP认为环境已经很糟糕了，

1. sshthresh = cwnd /2

2. cwnd 重置为 1

3. 进入慢启动过程

如果是快速重传，则：

TCP Tahoe的实现和RTO超时一样。

TCP Reno的实现是：

1. cwnd = cwnd /2

2. sshthresh = cwnd

3. 进入快速恢复算法——Fast Recovery

简单的来说，发送的速率总是在不断的增长，只不过一开始增长比较快，指数增长，到达门限值的时候，切换增长模式，变成线性增长，当系统中出现了丢包重传现象，判断已经网络已经发送阻塞，要重新设定参数，进入慢启动状态。

快速重传

在TCP报文段丢失或者接收端收到乱序的TCP报文段等情况下，发送端都会收到重复的确认报文段。

当发送端连续收到3个重复的确认报文端段的时候，tcp就认为拥塞发生了。然后会立即重传丢失的报文段。

这就是快速重传的机制。

快速恢复

快速恢复机制一般和快速重传机制同时使用。快速恢复机制如下：

1. 当发送端收到第三个重复确认的报文时，会更新ssthresh的值，然后立即重传丢失的报文段，并且设置：cwnd = ssthresh+3*SMSS，进入拥塞避免阶段。
2. 当收到一个重复确认的报文时，设置cwnd = cwnd +SMSS。此时发送端可以发送新的TCP报文（如果新的cwnd允许）。
3. 当收到新数据的确认时，设置cwnd=ssthresh。进入拥塞避免阶段。

这里的新数据表示新的报文，而不是丢失的报文。

在旧的tcp拥塞控制算法中，快速重传之后会进入慢启动阶段，而新的tcp拥塞控制算法在快速重传之后进入快速恢复阶段。

如下图：

参考

1. TCP-IP详解: 慢启动和拥塞控制

2. 浅谈TCP拥塞控制：慢启动和拥塞避免、快速重传和快速恢复