TCP之流量控制和拥塞控制

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本文深入解析TCP协议中的流量控制和拥塞控制机制。流量控制确保数据接收方不会因发送方过快发送数据而溢出，通过滑动窗口算法调节发送速率；拥塞控制则在全局层面防止网络资源耗尽，采用慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复等策略动态调整发送窗口，维持网络稳定。

TCP之流量控制和拥塞控制

流量控制

1. 什么是流量控制

如果发送方把数据发送得过快，接收方可能会来不及接收，这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

防止发送方发的太快，耗尽接收方的资源，从而使接收方来不及处理。

2. 流量控制基本思想

要想实现流量的控制，其基本思想可以包含一下三点：

接收端抑制发送端发送的数据大小：通过接收端缓冲区的大小实现
流量控制的目标是在于接受端，是怕接受端来不及处理数据
流量控制的机制就是丢包

3. 滑动窗口实现流量控制

可以通过滑动窗口来实现流量控制。

滑动窗口是类似于一个窗口一样的东西，是用来告诉发送端可以发送数据的大小或者说是窗口标记了接收端缓冲区的大小，这样就可以实现流量控制。

例如：

A向B发送数据。在连接建立时，B告诉了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(这里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。请注意，TCP的窗口单位是字节，不是报文段。TCP连接建立时的窗口协商过程在图中没有显示出来。再设每一个报文段为100字节长，而数据报文段序号的初始值设为1。大写ACK表示首部中的确认位ACK，小写ack表示确认字段的值ack。

注意：窗口指的是一次批量发送多少数据。

4. 滑动窗口的优点

在确认应答策略中，对每一个发送的数据段，都要给一个ACK确认应答，收到ACK后再发送下一个数据段，这样做有一个比较大的缺点，就是性能比较差，尤其是数据往返的时间长的时候。

使用滑动窗口，就可以发送多条数据，提高性能。

5. 滑动窗口执行流程

接收端将自己可以接受的缓冲区大小放入TCP首部的“窗口大小”字段，通过ACK来通知发送端。
接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端，发送端收到这个值后，就会减慢自己的发送速度。
如果接收端发现自己的缓冲区满了，就会将窗口的大小设置为0，此时发送端将不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

需要注意的是：

窗口大小字段越大，说明网络的吞吐率越高。
窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值，即就是说不需要接收端的应答，可以一次连续的发送数据。
操作系统内核为了维护滑动窗口，需要开辟发送缓冲区，来记录当前还有那些数据没有应答，只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉(因此发送缓冲区数据如果太大，就会有空间开销)。
在TCP的首部中，有一个16为窗口字段，此字段就是用来存放窗口大小信息的。
滑动窗口中的数据类型：已发送，但还没有收到确认的。可以发送，但还没有发送的。

拥塞控制

1. 什么是拥塞、什么是拥塞控制

拥塞：即对资源的需求超过了可用的资源。若网络中许多资源同时供应不足，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量随之负荷的增大而下降。

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

2. 拥塞控制方法

拥塞控制基本原理：

发送方维持一个拥塞窗口 cwnd ( congestion window )的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞。

发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。

四种方法：

慢开始( slow-start )
拥塞避免( congestion avoidance )
快重传( fast retransmit )
快恢复( fast recovery )

慢开始算法

当主机开始发送数据时，如果立即所大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。因此，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

**每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。即初始cwnd为1，经过一次轮次后，cwnd变为2，再经过一次轮次后，cwnd变为4，依次类推。**不过“传输轮次”是指：把拥塞窗口cwnd所允许发送的报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字节的确认，这样才算一次轮次。

为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。慢开始门限ssthresh的用法如下：

当 cwnd < ssthresh 时，使用上述的慢开始算法。
当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞控制避免算法。

拥塞避免算法

让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认），就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

注意：“拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

快重传算法

首先假设出现这么一种情况：

接收方收到了M1和M2后都分别发出了确认。现在假定接收方没有收到M3但接着收到了M4。显然，接收方不能确认M4，因为M4是收到的失序报文段。根据可靠传输原理，接收方可以什么都不做，也可以在适当时机发送一次对M2的确认。但按照快重传算法的规定，接收方应及时发送对M2的重复确认，这样做可以让发送方及早知道报文段M3没有到达接收方。发送方接着发送了M5和M6。接收方收到这两个报文后，也还要再次发出对M2的重复确认。这样，发送方共收到了接收方的四个对M2的确认，其中后三个都是重复确认。快重传算法还规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段M3，而不必继续等待M3设置的重传计时器到期。由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%。