TCP--拥塞控制

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TCP中另一个重要的点就是拥塞控制，TCP是无私的当它感受到网络拥堵了，就会降低自己的发送速率。

前言

有人说？我们有流量控制了，为什么还要有拥塞控制。因为流量控制只保证了数据不会超过接收窗口的缓存大小，但是TCP是感受不到网络的拥堵状态的。当网络拥堵了（比如接收端迟迟收不到ACK），发送端就会一直重传，导致网络更加拥堵，然后就是个恶性循环了。

拥塞控制有4个经典的算法。

慢启动
拥塞避免
快速重传
快速恢复

一、慢启动

首先就是慢启动。
在慢启动的状态，cwnd（拥塞窗口）会被初始化为1个MSS（MSS介绍见下图）。
MTU和MSS.webp
发送端每次接收到一个ACK，cwnd就会增加一个MSS，并且发送两个最大长度的报文段，然后这两个报文段收到确认，cwnd就又会增加两个MSS。这样就相当于每经过1个RTT（不考虑发送时延），cwnd就会翻倍，以2的指数级增长。
TCP慢重传.webp

那什么时候结束指数增长呢？
发送端会维护一个ssthresh（慢启动阈值），为了放置cwnd增长过大引起网络拥塞。

①发生了阻塞（丢包了等等）

发送端会将ssthresh设置为当前cwnd值的一半，然后将cwnd设置为1，重新开始慢启动。
（ssthresh = cwnd / 2，cwnd = 1）。

②cwnd==ssthresh，

发送端会结束慢启动进入拥塞避免模式（下文介绍）。

③检测到3个冗余ACK

TCP会执行快速重传，然后进入快速恢复状态。

别看它这名字里面有个慢字，其实它是指数上升的。

二、拥塞避免

拥塞避免采取了一种保守的方式来提升cwnd,每个RTT才将cwnd的值加1，也就是1、2、3这样的线性增长。

当网络出现拥塞的时候
发送端会将ssthresh设置为当前cwnd值的一半，然后将cwnd设置为1。
这样就是为了减少数据的发送量，让路由器缓存中的数据先发送发送。
现在看来无论是慢启动状态还是拥塞避免状态，只要网络拥塞了，发送端会将ssthresh设置为当前cwnd值的一半，然后将cwnd设置为1。
下图是慢启动和拥塞避免算法的一个曲线图。
慢启动和拥塞避免.webp

但是这样设置（暴力的将ssthresh=cwnd/2）有点弊端，就是比如说两个相同的拥塞窗口中，丢包的比例不一样，如果都将ssthresh设置为当前cwnd值的一半太过暴力。比如说下面这种情况。
RFC弊端.webp
像上图这种情况两个拥塞窗口都是16MSS，但是丢包的比例不一样。按正常思维来说应该第一个丢包比例少的设置的ssthresh应该大点。但是如果按照上面那种两个都是cwnd/2，就有点问题。
由此Westwood算法产生了，当丢包很轻微时，由于Westwood能估算出当前拥塞并不严重，所以不会大幅度减少临界窗口值，传输速度得以保持。更多的关于Westwood算法的这里没有写，有可能以后我会补充上。\

三、快速重传

快速重传是基于数据的一种重传方式。
快速重传.webp
服务端每次收到数据后，就会返回一个ACK（确认序列号）表示下次希望收到的数据的序号，并且表示该序号之前的数据都已经成功接受。

TCP默认是累计确认机制，当中间有包乱序到达了，TCP只会反复确认最后一个按序到达的数据，TCP只能知道下一个数据没有按时达到，之后的数据怎么样了并不知道。

如图所示，第二个数据丢失了，服务端一直返回ACK2（因为一直没有收到第二个数据），当客户端收到3次同样的ACK后，客户端就会重传丢失的那个数据。然后服务端传回一个ACK6，表示6之前的数据都已经成功接受了。客户端收到3个相同的ACK后，就在超时重传时间之前进行重传。

但是这样还是有个问题，就是重传的时候，是重传一个数据，还是重传所有数据呢。
比如说数据2、3都丢失了，因为ACK只能表示下一次应该重传的一个数据，不能表示多个数据，所以即便数据3也丢失了，它依然是返回ACK2。
如果重传2号数据，那3号数据也丢失了。如果都重传一次，显然是一次不必要的资源浪费。
这就得看SACK了，关于SACK具体详看我的另一篇博客。

四、快速恢复

当接收方收到3个相同的ACK的时候，发送端会认为网络已经拥塞，会进入快速恢复状态，发送端会将ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后cwnd设置为一半然后再加三。（ssthresh = cwnd / 2，cwnd = cwnd / 2 + 3）。
但是之后不进行慢启动，之后执行拥塞避免算法。

慢恢复.webp

TCP Tahoe 和 TCP Reno

TCP也是在不断迭代的，最早的TCP版本叫做TCP Tahoe，目前使用最广泛的版本是TCP Tahoe。

ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后cwnd设置为一半然后再加三
TCP Tahoe版本中，拥塞算法只有三个，慢启动、拥塞避免、快速重传。在收到3个重复的ACK时候，将ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后cwnd设置1（进入慢启动）。（ssthresh = cwnd / 2, cwnd = 1）。
早期TCP拥塞控制.webp
TCP Tahoe版本中，拥塞算法在原来的基础上增加了一个快速恢复，就是在收到3个重复的ACK时候，发送端将ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后cwnd设置为一半然后再加三。（ssthresh = cwnd / 2，cwnd = cwnd / 2 + 3）。