TCP的拥塞控制

本文详细介绍了TCP拥塞控制中的慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复等算法。通过这些算法,TCP能够有效地调整发送速率,避免网络拥塞,确保数据可靠传输。

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几种拥塞控制方法
慢开始( slow-start )、拥塞避免( congestion avoidance )、快重传( fast retransmit )和快恢复( fast recovery )。

慢开始和拥塞避免
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。

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。

所谓的加法增大就是每次拥塞窗口+1,但是每次都会加入一个连接,使得每次的加法增大变为原来的指数倍
这里写图片描述
每经过一个传输轮次,拥塞窗口 cwnd 就加倍。一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT。不过“传输轮次”更加强调: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。
另,慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢,而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1,使得发送方在开始时只发送一个报文段(目的是试探一下网络的拥塞情况),然后再逐渐增大cwnd。
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(如何设置ssthresh)。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。
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开始没有加入快重传和快恢复的tcp协议的传输情况大概是这样 也就是所谓的TaHoe版本
那么加入快重传和快恢复呢 tcp的Reno版本
2.2 快重传和快恢复
如果发送方设置的超时计时器时限已到但还没有收到确认,那么很可能是网络出现了拥塞,致使报文段在网络中的某处被丢弃。这时,TCP马上把拥塞窗口 cwnd 减小到1,并执行慢开始算法,同时把慢开始门限值ssthresh减半。这是不使用快重传的情况。
快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方)而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认。当连续受到三个重复确认的信号时,马上进行重传

快重传算法图解
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快恢复:有这么两个点
1 当发送方连续收到三个重复确认,就执行“乘法减小”算法,把慢开始门限ssthresh减半。这是为了预防网络发生拥塞。请注意:接下去不执行慢开始算法。
2 由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞,因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法(即拥塞窗口cwnd现在不设置为1),而是把cwnd值设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值,然后开始执行拥塞避免算法(“加法增大”),使拥塞窗口缓慢地线性增大。
下面贴出tcp两个版本的图解
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### TCP拥塞控制原理 TCP拥塞控制旨在防止过多的数据涌入网络,从而避免因过度负载而导致性能下降或失败的情况。为了达到这一目标,TCP通过调整发送方的发送速率来响应网络状况的变化。 在网络通信过程中,默认情况下TCP认为丢包是由网络拥塞引起的[^3]。因此,一旦检测到丢包事件(通常由超时重传RTO或者接收到三个重复确认ACK触发),就会采取措施减少流量以缓解潜在的拥塞问题[^4]。 ### 主要算法及其工作方式 #### AIMD (加性增加/乘法减小) 这是最经典的TCP拥塞控制策略之一,在TCP Reno版本中被广泛采用。该方法允许窗口大小线性增长直到遇到第一个丢包指示;之后则会急剧收缩窗口尺寸以便迅速降低传输速度并等待一段时间后再逐步恢复正常的增长率[^2]。 #### 快速重传与快速恢复 当接收端连续三次向同一位置发出相同的ACK报文时,这表明中间有未到达目的地的数据段丢失了。此时不必等到定时器溢出才重新传送这些遗失的信息,而是立即执行所谓的“快速重传”。随后进入“快速恢复”阶段,它不同于慢启动之处在于不会完全回到初始状态,而是保持较高的吞吐量尝试继续前进而不是退回到更保守的状态。 #### BBR (Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time) BBR是一种较新的拥塞控制方案,其核心理念是估计瓶颈带宽以及往返传播时间,并据此动态调节发送速率。相比传统的基于丢包反馈的方法,这种方法试图主动探测可用资源而非被动应对突发情况。尽管存在一些局限性和挑战,但它代表了一个重要的发展方向[^5]。 ### C++实现概览 使用C++编写TCP拥塞控制逻辑涉及多个方面的工作,包括但不限于建立可靠的套接字连接、处理各种类型的ICMP消息用于监测路径特性变化、维护必要的统计信息支持决策过程等等。具体来说,开发者可能需要定义结构体保存有关当前流状态的关键参数(比如cwnd, ssthresh等),并通过函数模拟不同场景下的行为模式[^1]。 ```cpp // 定义一个简单的类表示TCP连接中的重要变量 class TcpConnection { public: int cwnd; // 当前拥塞窗口大小 int ssthresh; // 慢启动阈值 void handleTimeout() { /* 处理超时 */ } void handleAck(bool isDup) { /* 应对正常或重复应答 */ } private: bool checkLoss(); // 判断是否有丢包发生 }; ```
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