一文带你搞定TCP拥塞控制

摘要

1. 拥塞控制
2. 慢启动
3. 拥塞避免
4. 拥塞发生
5. 快速恢复

拥塞控制

什么是拥塞控制？

计算机网络是共享的，流量控制避免的是发送方填满接收方的空闲空间，而拥塞控制是避免发送方填满整个网络。

没有拥塞控制网络会发生什么？

当网络极度拥堵时，如果没有拥塞控制，发送方会继续发送大量的网络数据包，而这些数据包因为网络阻塞而延时、丢失，触发了TCP重传，重传使得网络更加阻塞，整个网络将会陷入不可用的状态。

什么是拥塞窗口？

拥塞窗口(cwnd)是发送方维护的一个状态变量，它会根据网路拥堵情况动态调节。

之前发送窗口约等于接收窗口，但在拥塞窗口加入后，发送窗口=min(拥塞窗口, 接收窗口)。

拥塞窗口的变化规则

• 只要网络中没有出现阻塞，窗口就会增大
• 网络中出现阻塞，窗口就会减小

发送方如何判定网络出现阻塞？

发送方在规定时间内没有收到ACK报文（也就是触发了超时重传）。

拥塞控制算法有几种？

• 慢启动
• 拥塞避免
• 拥塞发生
• 快速恢复

慢启动

慢启动的规则就是当发送方收到一个ACK，拥塞窗口的大小就会加1。

上图中假定发送窗口和拥塞窗口相等：

• 连接建立完成后，拥塞窗口cwnd为1，表示可以发送一个MSS的数据
• 当发送方收到一个ACK报文以后，拥塞窗口cwnd增加1变为2，发送方一次可以发送两个MSS的数据
• 当收到2个ACK报文以后，拥塞窗口cwnd增加2变为4，此时发送方一次可以发送4个MSS的数据
• 当收到4个ACK报文以后，拥塞窗口cwnd增加4变为8，此时能够发送8个MSS的数据

慢启动算法的发报个数呈指数级增长。

慢启动算法何时停止？

慢启动算法中有一个慢启动门限ssthresh（slow start threshold）的状态变量:

• 当拥塞窗口cwnd < ssthresh时，使用慢启动算法
• 当拥塞窗口cwnd >= ssthresh时，使用拥塞避免算法

一般来说，ssthresh的大小为65535字节。

拥塞避免

拥塞避免算法的规则是：每收到一个ACK报文，拥塞窗口cwnd增加1/cwnd。

上图中进入拥塞避免算法以后，第8个到来的ACK会增加1/cwnd，也就是增加1个变为9，最终可以发送9个MSS的数据。

通过上图可以看出，拥塞避免算法拥塞窗口还是增长的，只不过增长速度由指数变为了线性。

拥塞避免算法何时停止？

窗口一直在增长，网络会渐渐开始变得阻塞，网络中逐渐出现延时、丢包现象，导致TCP发生重传，此时就会进入拥塞发生阶段。

拥塞发生

TCP重传的机制大类主要有两种：

• 超时重传
• 快速重传

上述两种重传使用的拥塞发生算法也不相同。

超时重传拥塞发生

超时重传拥塞发生以后，ssthresh和cwnd会发生变化：

• ssthresh（慢启动门阀）设置为cwnd/2
• cwnd（拥塞窗口）重置为1

上图中可以看出超时重传拥塞发生时，可发送的数据包将会出现一个断崖式的下跌，这很容导致发送方卡顿。

快速重传拥塞发生

快速重传会在收到相同的3个ACK包时发生，发送端可以快速重传，不必在等待超时。这种情况下ssthresh和cwnd会发生以下变化：

• cwnd（拥塞窗口） = cwnd/2，拥塞窗口减少为一半
• ssthresh = cwnd
• 进入快速恢复算法

快速恢复

上图中可以看出，进入快速恢复前，ssthresh和cwnd的值已被更新。进入快速恢复以后：

1. 拥塞窗口cwnd = ssthresh + 3（表示有三个数据包被收到）
2. 重传丢失的数据包
3. 如果收到的ACK是重复的，cwnd增加1
4. 如果收到新数据的ACK，把拥塞窗口设置为第1步中ssthresh的值，因为ACK已经确认了新数据，快速恢复过程可以结束，可以再次进入拥塞避免阶段