TCP拥塞控制

TCP的拥塞控制

  • 在某段时间,若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分,网络性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞
  • 出现拥塞而不进行控制,整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降

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TCP有四种拥塞控制算法,分别是慢开始拥塞避免快重传快恢复。下面介绍这四种拥塞控制算法的基本原理,假定如下条件:

  • 数据是单方向传送,而另一个方向只传送确认。
  • 接收方总是有足够大的缓存空间,因而发送方发送窗口的大小由网络的拥塞程度来决定。
  • 以最大报文段MSS的个数为讨论问题的单位,而不是以字节为单位。

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发送方维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量,其值取决于网络的拥塞程度,并且动态变化

  • 拥塞窗口cwnd的维护原则:只要网络没有出现拥塞拥塞窗口就再增大一些;但只要网络出现拥塞拥塞窗口就减少一些。
  • 判断出现网络拥塞的依据:没有按时收到应当到达的确认报文(即发生超时重传)。

发送方将拥塞窗口作为发送窗口swnd,即swnd = cwnd

维护一个慢开始门限ssthresh状态变量:

  • 当cwnd < ssthresh时,使用慢开始算法;
  • 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,也可使用拥塞避免算法。

慢开始和拥塞避免的工作原理如下图所示:
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这里需要注意两点:

  • “慢开始”是指一开始向网络注入的报文段少,并不是指拥塞窗口cwnd增长速度慢;
  • “拥塞避免”并非指完全能够避免拥塞,而是指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。

慢开始和拥塞避免算法是1988年提出的TCP拥塞控制算法(TCP Tahoe版本)。
1990年又增加了两个新的拥塞控制算法(改进TCP的性能),这就是快重传和快恢复(TCP Reno版本)。

  • 有时,个别报文段会在网络中丢失,但实际上网络并未发生拥塞。这将导致发送方超时重传,并误认为网络发生了拥塞;发送方把拥塞窗口cwnd又设置为最小值1,并错误地启动慢开始算法,因而降低了传输效率
  • 采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失
  • 所谓快重传,就是使发送方尽快进行重传,而不是等超时重传计时器超时再重传。要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认,而是要立即发送确认;即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。发送方一旦收到3个连续的重复确认,就将相应的报文段立即重传,而不是等该报文段的超时重传计时器超时再重传。

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上图展示了快重传的工作原理。对于个别丢失的报文段,发送方不会出现超时重传,也就不会误认为出现了拥塞(进而降低拥塞窗口cwnd为1)。使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。
发送方一旦收到3个重复确认,就知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始算法,而执行快恢复算法发送方将慢开始门限ssthresh值和拥塞窗口cwnd值调整为当前窗口的一半;开始执行拥塞避免算法。也有的快恢复实现是把快恢复开始时的拥塞窗口cwnd值再增大一些,即等于新的ssthresh + 3。这样做的原因是:

  • 既然发送方收到3个重复的确认,就表明有3个数据报文段已经离开了网络;
  • 这3个报文段不再消耗网络资源而是停留在接收方的接收缓存中;
  • 可见现在网络中不是堆积了报文段而是减少了3个报文段。因此可以适当把拥塞窗口扩大些。

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上图包含了TCP拥塞控制的四种策略,可以很好的理解TCP的拥塞控制。

### 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,从而避免引发网络拥塞。该过程通过调整发送方的发送速率来适应当前网络条件的变化。主要目标是在最大化吞吐量的同时最小化延迟和丢包率。 #### 主要机制 1. **慢启动** 发送方初始时会设置一个较小的窗口大小(即cwnd),随着每一轮成功的传输逐步增加这个值直到遇到第一个丢包事件为止[^1]。 2. **拥塞避免** 当达到一定阈值后进入线性增长阶段,每次成功接收ACK反馈只按固定增量扩大拥塞窗口;一旦检测到超时或重复ACK,则认为发生了拥塞并采取相应措施减少流量输出[^2]。 3. **快速重传与恢复** 如果接收到三个以上的重复ACK,表明有未被确认的数据段可能已经丢失,此时立即触发重发而不必等待完整的计时器到期。这有助于加快错误修复速度,并保持较高的链路利用率[^3]。 4. **加法增大/乘法减小 (AIMD)** 这种策略用于调节拥塞窗口的增长方式:正常情况下采用缓慢而稳定的速度递增(cwnd += MSS),而在发生拥塞迹象时则急剧收缩(cwnd /= 2)。 ### C++实现示例 下面给出一段简单的C++伪代码片段展示如何模拟上述部分逻辑: ```cpp class TCPSender { private: int cwnd; // 拥塞窗口大小 double ssthresh; // 慢启动门限 public: void handle_ack() { if (in_slow_start()) { cwnd *= 2; } else { cwnd++; } if (detect_congestion()) { fast_retransmit(); cwnd = max(1, static_cast<int>(cwnd / 2)); ssthresh = cwnd; } } bool in_slow_start() const { return cwnd < ssthresh; } void fast_retransmit() { // 实际应用中应在此处处理具体的重传操作 } bool detect_congestion() const { // 此函数应该根据实际情况判断是否存在拥塞现象 return false; } }; ``` 这段代码展示了基本框架下的几个核心功能模块,包括但不限于响应ACK消息更新拥塞窗口、执行快速重传以及识别潜在的拥塞状况等。 ### 新兴算法简介 除了传统的基于损失的传统方法外,还有像BBR这样的现代方案试图利用更丰富的信息源来进行更加精准有效的带宽估计与优化调度工作。尽管如此,由于实际环境复杂多变,单一模式难以满足所有场景需求,因此研究者们也在探索混合型解决方案的可能性[^4]。
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