[网络工程师]-传输层协议-TCP拥塞控制

        TCP拥塞控制的概念是：每个源端判断当前网络中有多少可用容量，从而知道它可以安全完成传送的分组数。拥塞控制解释防止过多的数据注入网络，避免网络中间设备（路由器、交换机等）过载而发生拥塞。拥塞控制是一个全局性的过程，与流量控制不同，流量控制仅指点对点通信量的控制。

        TCP拥塞控制机制包括慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复、RED等。

1、慢启动与拥塞避免

        慢启动又称慢开始。发送方维持的拥塞窗口是一个状态变量，网络拥塞程度动态决定cwnd（congestion windows）的值（网络出现拥塞，则cwnd值会调小些；反之则调大些），发送方的发送窗口等于拥塞窗口，考虑到接收方的接收能力，发送窗口可能小于拥塞窗口。

        慢启动的策略是：主机一开始发送大量数据，有可能引发网络拥塞，因此较好的方法是先探测一下，由小到大逐步增加拥塞窗口cwnd的大小。通常，在刚开始发送报文段时，可将cwnd设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新报文段的确认后，将拥塞窗口增加至多一个报文（严格来说是增加一个MSS大小的字节）。这种方式下，cwnd的值是逐步增加的，下图描述了慢启动的过程：

        具体过程如下：

        第一步：发送方设置cwnd=1，并发送报文段M1，接收方接收后确认M1；

        第二步：依据慢启动算法，发送方每收到一个新的报文确认（不计重传），则cwnd加1。所以发送方接收M1确认后，cwnd由1变为2，并发送报文段M2和M3。接收方接收后发回对M2和M3的确认；

        第三步：发送方接收M2和M3的确认后，cwnd由2变为4，并可以发送报文段M4~M7。由此可见，每经过1轮（就是一个往返时间RTT），cwnd值翻倍。

        慢启动的“慢”是指初始值小，但其cwnd是成倍增加的。由于cwnd倍增速度过快，因此需要使用一个慢启动门限ssthresh状态变量限制cwnd倍增。

        （1）当cwnd

        （2）当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。拥塞避免算法就是每经过1轮（1个往返时间RTT），cwnd值加1，而不是倍增；

        （3）当cwnd=ssthresh时，可任选慢启动与拥塞避免算法。

        下图为慢启动与拥塞避免示例，描述了控制cwnd的增长、设定sshresh阈值的过程和策略：

                 

        （1）TCP连接初始化，cwnd设为1。设置cwnd增长的阈值ssthresh=16；

        （2）当cwnd

        （3）当cwnd=ssthresh=16时，执行拥塞避免算法。拥塞窗口cwnd值呈线性增长；

        （4）当cwnd=24时，突遇网络拥塞，出现超时。设置拥塞窗口cwnd=1，增长的阈值ssthresh=12（执行"乘法减少”，即出现超时的拥塞窗口值24的一半），并开始执行多轮慢启动算法；

        （5）当cwnd=ssthresh=12时，执行拥塞避免算法。拥塞窗口cwnd值呈线性增长。

2、快重传与快恢复

        快重传额快恢复是TCP拥塞控制机制中，为进一步提高网络性能而设置的两个算法。

        快重传规定：（1）接收方在收到一个失序的报文段后立即发出重复确认，该目的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方；（2）发送方只要收到三个连续重复确认，就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而无须等待设置的重传计时器的时间到期。

        快重传如下所示：

                   

        图中，接收方没有收到M3而接收到了M4，出现了失序，因此重复发送三个M2确认；发送方接收到三个确认后，立刻重传报文M3。

        

        快恢复算法是与快重传算法搭配使用的算法。快恢复算法的要点为：当发送方连续收到三个重复的报文段确认时，慢启动阈值ssthresh减半，但之后并不执行慢启动算法，而是执行拥塞避免算法（拥塞窗口cwnd值呈线性增加）。执行过程如下所示：

             

        快重传后使用快恢复的方式为“TCP Reno版本”；而快重传后使用慢启动的方式为“TCP Tahoe版本”，现已废弃不用。

3、随机早期检测RED

        另一种TCP拥塞控制的方法是预防性分组丢弃，即检测到网络拥塞的早起征兆时（路由器的平均队列长度超过了一定的门限值），就用一定的概率丢弃个别分组，从而避免网络全局拥塞，改进网络的性能。

        早期路由器采用尾部丢弃策略，但是会出现连个问题：（1）丢失分组必须重传，增加网络负担，导致TCP传输延时明显；（2）全局同步现象。路由器的丢弃数据行为导致发送方吹安超时重传，TCP进入慢启动状态，这样一段时间内，网络通信量急剧下降；又因为许多TCP连接在大约同一时刻进入慢启动，它们将在大约同一时刻脱离慢启动，而这将引起网络通信量的急剧上升。这种情况陈伟TCP的“全局同步”。

        为了避免出现”全局同步“现象，路由器采用随机早期检测（Random Early Detection，RED）算法。路由器在输出缓存完全装满之前，就随机丢弃一个或多个分组，避免发生全局性拥塞的现象，使得拥塞控制只是在个别的TCP连接上进行。RED算法中，路由器的队列维持两个参数，即队列长度最小门限和最大门限。RED对每一个到达的数据报都先计算平均队列长度：

        （1）若<，则将新到达的数据报放入队列进行排队；

        （2） 若>，则将新到达的数据报丢弃；

        （3）若<<，则按照某一概率P，将新到达的数据报丢弃。

4、TCP协议的重传时间

        TCP可靠的一个保证机制就是超时重传，而超时重传的核心是重传超时时间的计算。计算超时重传时间的参数如下：

        （1）往返时间（Round Trip Time，RTT）：发送端发送一个数据包给对端，然后接收端返回一个ACK。发送端计算出这个包来回所需的时间就是RTT。

RTT=链路层的传播时间+端点协议栈的处理时间+中间设备的处理时间

        RTT的前两个部分值相对固定，而中间设备处理时间会随着网络拥塞程度的变化而变化，所以RTT的变化在一定程度上反应了网络的拥塞程度。

        （2）加权平均往返时间（Smoothed RTT，RTTS）：又称平滑往返时间，该时间是通过多次RTT的杨根本多次测量的结果。

RTTS的初始值=计算出来的第一个RTT

        RTTS的计算公式如下：

新的RTTS=（1-）*（旧的RTTS）+*（新的RTT样本）

        根据RFC推荐，值为1/8，这样计算的RTTS更加平滑。

        （3）重传超时时间（Retransmission TimeOut，RTO）：基于RTT计算出的一个定时器超时时间。RTO的作用是：没发送一个TCP报文段，就开启一个重传计时器。当计时器超时，还没有收到接收方的确认，就重传该报文段。RTO的计算公式为：

RTO=RTTS+4*RTTD

        式中：RTTD的初始值=1/2*RTT样本值。

        RTTD的计算公式为：

新的RTTD=（1-）*（旧的RTTD）+*|RTTS-新的RTT样本|

        根据RFC推荐，值为1/4。