TCP的拥塞控制

整理自《计算机网络》（第6版）谢希仁

一、拥塞控制的一般原理

在计算机网络中的链路容量（即带宽）、交换机结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。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，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞。

拥塞控制就是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会过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。

流量控制往往指点对点通信量的控制，是个端到端的问题（接收端控制发送端）。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。

二、拥塞控制方法

拥塞控制的算法有：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复四种。

1、慢启动

发送方维持一个拥塞窗口cwnd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。发送方的发送窗口小于等于拥塞窗口，因为还需要考虑接收方的接受能力。

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。

那么发送方又是如何知道网络发生了拥塞呢？当网络发生拥塞时，路由器就要丢弃分组。因此只要发送方没有按时收到应当到达的确认报文，就可以猜想网络可能出现了拥塞。

慢开始算法的核心是从小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，从小到大逐渐增大拥塞窗口的数值。通常在刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口设置为一个最大报文段MSS的数值，而在每收到对上一轮报文段（，每次加倍后的报文段的个数，可能不止一个报文段）的确认后，就把拥塞窗口的数值加倍。

为了防止拥塞窗口增长过大引起网络拥塞，还需要维护一个慢开始门限ssthresh的状态变量，当拥塞窗口的值小于慢开始门限时，使用慢开始算法，一旦拥塞窗口的值大于慢开始门限的值，就改用拥塞避免算法。

2、拥塞避免

拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口缓慢地增大，收到每一轮的确认后(一个往返时间RTT)，将拥塞窗口的值加1，而不是加倍，这样拥塞窗口的值按照线性规律缓慢增长。

无论是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（没有按时收到确认），就把慢开始门限设置为出现拥塞时发送窗口值的一半，但最小不能小于2个MSS值，而后把拥塞窗口的值重新设置为1个MSS，执行慢开始算法。这样做的目的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的时间把队列中积压的分组处理完毕。

3、快速重传和快速恢复：

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（重复发送对前面有序部分的确认），而不是等待自己发送数据时才进行稍待确认，也不是累积收到的报文发送累积确认，如果发送方连续收到三个重复确认，就应该立即重传对方未收到的报文段（有收到重复确认，说明后面的报文段都送达了，只有中间丢失的报文段没送达）。

由于发送方能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的吞吐量提高约20%。

快恢复算法与快重传算法配合使用，其过程有如下两个要点：

1、当发送方连续收到三个重复确认时，就把慢开始门限减半，这是为了预防网络发生拥塞。注意，接下来不执行慢开始算法。

2、由于发送方现在认为网络很很可能没有发生特别严重的阻塞（如果发生了严重阻塞的话，就不会一连有好几个报文段到达接收方，就不会导致接收方连续发送重复确认），因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口的值不设为1个MSS），而是把拥塞窗口的值设为慢开始门限减半后的值，而后开始执行拥塞避免算法，线性地增大拥塞窗口。