TCP拥塞控制

最新推荐文章于 2024-09-03 20:51:35 发布

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一、背景介绍

两台主机在传输数据包的时候，如果发送方迟迟没有收到接收方反馈的ACK，那么发送方就会认为它发送的数据包丢失了，进而会重新传输这个丢失的数据包。然而实际情况有可能此时有太多主机正在使用信道资源，导致网络拥塞了，而A发送的数据包被堵在了半路，迟迟没有到达B。这个时候A误认为是发生了丢包情况，会重新传输这个数据包。这样不仅浪费了信道资源，还会使网络更加拥塞。
拥塞控制的出现，减少了网络拥堵，促使网络尽快回复正常。

1、名次解释

MSS：最大报文长度，这里指报文数据的大小
ssthresh ：慢启动阈值（slow start threshold）
cwnd：拥塞窗口(Congestion Window)，表示一次性连续发送多少个MSS数据包
RTT：数据完全发送完到收到确认信号的时间
RTO：超时重传

二、拥塞控制的算法

拥塞控制主要由四个算法组成：

慢启动（Slow Start）
拥塞避免（Congestion Avoidance）
快速重传
快速恢复（Fast Recovery）

1、慢启动

慢启动的机制：当TCP连接建立之后，cwnd的大小被初始化为1个最大报文段（MSS）的大小。发送方每收到一次ACK确认之后，就将cwnd的大小增加一个报文段。增加规则如下：cwnd += min(N,MSS)，N为上次发送被确认的字节数。

慢启动存在的理由是：tcp刚开始并不知道网络的实际情况，需要用一种试探性的方式平滑的增加cwnd的大小。慢启动算法增加了拥塞窗口，可以反应网络的整体情况，而滑动窗口只能反应主机个体情况。

从上述cwnd的增加规则中可以看出，慢启动中cwnd的大小是呈指数级增长的。因此，慢启动并不慢。如果不进行控制，慢启动最终会导致网络拥塞。为了防止这种情况的发生，TCP在拥塞控制中增加了一个变量ssthresh。并且规定了cwnd的大小要按照下述规则进行：

当cwnd<ssthresh时：进行慢启动算法
当cwnd>ssthresh时：进行拥塞避免算法
当cwnd==ssthresh时:：两种皆可

2、拥塞避免

cwnd>ssthresh时，进行拥塞避免。拥塞避免即让cwnd缓慢的增长，在一个RTT时间内，将cwnd的大小增加1，即增加cwnd的初始大小。这样，cwnd的大小就从以前的指数级增长变成现在的线性增长。

无论是慢开始还是拥塞避免，只要网络出现阻塞，就将ssthresh的值更新为cwnd的一半，但不能小于2。同时将cwnd的大小更新为1，即为cwnd的初始大小。

3、快速重传

当发送端连续收到3个重复的确认报文端段（3个重复，所以一共收到4个）的时候，tcp就认为拥塞发生了，然后会立即重传丢失的报文段。这个机制不需要等到重传定时器超时，所以叫做快速重传。
此时，

cwnd大小缩小为当前的一半
ssthresh设置为缩小后的cwnd大小
然后进入快速恢复算法

在TCP报文段丢失或者接收端收到乱序的TCP报文段等情况下，发送端都会收到重复的确认报文段。

4、快速恢复

在进入快速恢复之前，cwnd和ssthresh已经被更改为原有cwnd的一半，即sstresh=cwnd/2。

设置：cwnd = ssthresh+3*MSS,加3 * MSS的原因是因为收到3个重复的ACK
重传DACKs指定的数据包
如果再收到DACKs，那么cwnd大小增加一
如果收到新的ACK，表明重传的包成功了，那么退出快速恢复算法。将cwnd设置为ssthresh，然后进入拥塞避免算法

三、拥塞控制的状态机

在这里插入图片描述

1、Open状态

拥塞控制状态机的默认状态。这种状态下，当ACK到达时，发送方根据拥塞窗口cwnd是小于还是大于慢启动阈值ssthresh，来按照慢启动或者拥塞避免算法来调整拥塞窗口。

2、Disorder状态

当发送方检测到DACK(重复确认)或者SACK(选择性确认)时，状态机将转变为Disorder状态。在此状态下，发送方遵循飞行(in-flight)包守恒原则，即一个新包只有在一个老包离开网络后才发送，也就是发送方收到上一个包的ACK后，才会再发送下一个包。

3、CWR状态

发送方接收到一个拥塞通知时，并不会立刻减少拥塞窗口cwnd，而是每收到两个ACK就减少一个段，直到窗口的大小减半为止。当cwnd正在减小并且网络中有没有重传包时，这个状态就叫CWR(Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少)状态。CWR状态可以转变成Recovery或者Loss状态。

4、Recovery状态

当发送方接收到足够(推荐为三个)的DACK(重复确认)后，进入该状态。在该状态下，拥塞窗口cnwd每收到两个ACK就减少一个段(segment)，直到cwnd等于慢启动阈值ssthresh，也就是刚进入Recover状态时cwnd的一半大小。发送方保持 Recovery 状态直到所有进入 Recovery状态时正在发送的数据段都成功地被确认，然后发送方恢复成Open状态，重传超时有可能中断 Recovery 状态，进入Loss状态。

5、Loss状态

当一个RTO到期后，发送方进入Loss状态。所有正在发送的数据标记为丢失，拥塞窗口cwnd设置为一个段(segment)，发送方再次以慢启动算法增大拥塞窗口cwnd。
Loss 和 Recovery 状态的区别是:Loss状态下，拥塞窗口在发送方设置为一个段后增大，而 Recovery 状态下，拥塞窗口只能被减小。Loss 状态不能被其他的状态中断，因此，发送方只有在所有 Loss 开始时正在传输的数据都得到成功确认后，才能退到 Open 状态。