【计算机网络笔记】TCP的拥塞控制机制

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法

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TCP拥塞控制的基本原理

• Sender限制发送速率。LastByteSent-LastByteAcked <= CongWin 让发送的最后一个Byte的序列号减去接收的最后一个确认的Byte的序列号小于等于CongWin。这样我们只需要修改CongWin这个值就可以限制发送速率。

  

• CongWin（拥塞窗口）的大小需要动态地调整。

那需要能够感知和判断网络拥塞。怎么做呢？我们可以定义一个loss事件，当超时或者收到3个重复 ACK时往往意味着网络拥塞了，那发生这个事件的时候就降低速率。

能够感知和判断网络拥塞之后需要合理地调整发送速率。这里有两个机制：

• 加性增 —乘性减: AIMD
• 慢启动: SS

下面来看看这两种机制什么意思、怎么做的。

加性增 —乘性减: AIMD

原理：

• 加性增：线性地、逐渐地增加发送速率谨慎探测可用带宽，直到发生loss事件；
• 乘性减：一旦发生loss事件就要快速地降低速率。

方法：AIMD

• 加性增：每个RTT 将CongWin增大一个MSS（最大的段的长度）。这种思想是拥塞避免。
• 乘性减：发生loss后将CongWin减半。

TCP的拥塞控制在运行的时候可能如下图所示，想锯齿一样。

慢启动: SS

TCP连接建立时，CongWin初始化为1，所以初始的速率很小很保守。那可用的带宽可能远远高于初始速率。那如果这时采用线性增长的话需要很长时间，这就是一种浪费。所以我们希望刚开始增长时候是快速地增长。这样就做到了虽然初始很慢，但是后面可以快速地将速率提高。

所以原理是：

• 当连接开始时，CongWin指数性增长。
• 每个RTT 将CongWin翻倍
• 收到每个ACK进行操作

什么时候应该从SS切换到AIMD？

这需要依赖Threshold变量。它表示CongWin达到Loss 事件前值的1/2 时。

实现方法：当SS指数性增长达到了Threshold的时候就转变成线性增长AIMD，进入拥塞避免机制。

更细致的考虑一下Loss事件的处理：

• 收到3个重复ACKs：把CongWin切到一半，然后然后线性增长。比如上面图中的黑线。
• 发生Timeout事件：将CongWin直接设为 1 个MSS，然后指数增长，达到threshold 后, 再线性增长。比如上面图中的蓝线。

为什么处理方法不一样呢？因为Timeout事件表明拥塞更严重，那速率就要降地更多。

TCP拥塞控制算法总结

When CongWin is below Threshold, sender in slow-start phase, window grows exponentially；当拥塞窗口小于Threshold时，发送方位于慢启动阶段，拥塞窗口指数增长；

When CongWin is above Threshold, sender is in congestion-avoidance phase, window grows linearly；当拥塞窗口大于Threshold时，发送方位于拥塞避免阶段，拥塞窗口线性增长；

When a triple duplicate ACK occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin set to Threshold；当收到三个重复ACK时，Threshold 被减为拥塞窗口的一半，拥塞窗口也减半；

When timeout occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin is set to 1 MSS. 当发生超时时，Threshold减为拥塞窗口的一半，并且拥塞窗口被置为1

下面是一张更细致的图：

下面是TCP拥塞控制算法伪代码：

例题

题目：一个TCP连接总是以1 KB的最大段长发送TCP段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为16 KB时发生了超时，如果接下来的 4 个RTT（往返时间）时间内的TCP段的传输都是成功的，那么当第 4 个RTT时间内发送的所有TCP 段都得到肯定应答时，拥塞窗口大小是多少？

解答：发生超时事件后，threshold会降为拥塞窗口的一半也就是8KB，拥塞窗口CongWin会变为一个MSS最大段长度也就是1KB。这时发送方进入慢启动阶段也就是指数增长阶段，1 个RTT后， CongWin=2 KB，2 个RTT后， CongWin=4 KB ，3 个RTT后， CongWin=8 KB，这时到达threshold值了，所以这时慢启动就结束了，就进入了拥塞避免阶段也就是线性增长阶段，那么再发生一个RTT也就是4 个RTT后， CongWin=9 KB。