图解 TCP 拥塞控制

什么是拥塞控制

拥塞控制是一种 确保网络中的数据包以可持续的速率传输 的机制，避免因为数据包太多而超过网络当前的承载能力，导致网络性能下降，甚至产生大量的丢包现象。

TCP 使用 端到端拥塞控制 而不是网络辅助的拥塞控制，因为 IP 层不向端系统提供显式的网络拥塞反馈。TCP 采用的方法是让每一个发送方根据 所感知到的网络拥塞程度 来限制向连接发送流量的速率。

运行在发送方的 TCP 拥塞控制机制需要跟踪一个额外的变量——拥塞窗口（congestion window），发送方未确认的数据量不会超过 cwnd(拥塞窗口) 与 rwnd(接收窗口) 中的最小值。

# SND 为发送缓冲区, NEXT 下一个写入的字节编号, UNA 第一个已发送但未确认的字节编号
# NEXT - UNA 等于已发送但未确认的字节范围
SND.NEXT - SND.UNA <= min(cwnd, rwnd)

发送方如何感知网络的拥塞程度？

TCP 发送方通过检测丢包事件感知网络的拥塞程度，丢包事件包括：

• 出现定时器超时；
• 收到来自接收方的三个重复的 ACK；

TCP 将 ACK 确认报文作为数据正常到达接收方的标志，使用 ACK 报文来增加拥塞窗口的长度；与之相对的，一个丢失的报文段意味着网络拥塞，应当降低 TCP 发送方的速率。

接下来将介绍 TCP 拥塞控制算法，包含了三部分：

1. 慢启动；
2. 拥塞避免
3. 快速恢复；

拥塞控制算法

慢启动

慢启动（slow-start）状态，cwnd 从 1 个 MSS 开始，每当传输传输的 TCP 段首次被确认，cwnd 就增加一个 MSS。TCP 发送速率起始慢，但在慢启动阶段以 指数增长。

慢启动过程 以及 cwnd 随请求-应答轮次的变化关系如下图所示：

• 初始时，发送方的拥塞窗口为 1个 MSS；
• 第一轮交互后，随着第一个 TCP 段顺利收到 ACK 确认标志，cwnd 增加到 2MSS；
• 第二轮请求应答后，TCP 发送方收到两个 ACK 确认标志，cwnd 从 2 MSS 增加到 4 MSS；
• 第三轮次交互后，拥塞窗口 cwnd 会变为上一轮此拥塞窗口的两倍。这说明了慢启动是以指数增长的方式，增加拥塞窗口大小。

当出现下列三种情况之一时，慢启动阶段结束：

1. 当拥塞窗口 cwnd 超过慢启动阈值 ssthresh，就会进入 拥塞避免阶段，ssthresh 一般为 65535 字节。
2. 存在超时导致的丢包事件：TCP 发送方将慢启动阈值 ssthresh 设置为当前拥塞窗口 cwnd 的一半，随后将拥塞窗口设置为 1MSS，重新开始慢启动过程。
3. 检测到 3 个冗余的 ACK，TCP 执行快速重传，拥塞控制进入 快速恢复 阶段。

拥塞避免

进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 $\frac{\text{MSS}}{\text{cwnd}}\cdot \text{MSS}$ 字节，即每收到 $\frac{\text{cwnd}}{\text{MSS}}$ 个 ACK 确认段，拥塞窗口增加 1 MSS。

下图是 cwnd 从慢启动阶段进入拥塞避免阶段后的变化曲线：

• 慢启动阈值 ssthresh 等于 8MSS，第三轮请求后，cwnd 变为 8MSS 大于等于 ssthresh，进入拥塞避免阶段；
• 第 4 轮请求，发送方可以发送 8个大小为 1MSS 的 TCP 段。如果顺利，发送方会收到 8 个 ACK 确认段，此时 cwnd 会增加 $\frac{1\text{MSS}}{\text{cwnd}=8\text{MSS}}\cdot 8\text{MSS}=1\text{MSS}$。因此在第 4 轮请求过后，拥塞窗口增加到 9MSS。
• 同理，第 5 轮请求，发送方可以发送 9MSS 的 TCP 段，收到 9 个 ACK 后，拥塞窗口增加到 10MSS。

上面的函数图像清晰地展示了，从慢启动阶段进入拥塞避免阶段后，拥塞窗口变成了线性增长。

当出现如下情况之一时，拥塞避免阶段结束：

1. 存在超时导致的丢包事件：TCP 发送方将慢启动阈值 ssthresh 设置为当前拥塞窗口 cwnd 的一半，随后将拥塞窗口设置为 1MSS，从 拥塞避免 转换为 慢启动阶段。
2. 检测到 3 个冗余的 ACK，TCP 执行快速重传，由 拥塞避免阶段 进入 快速恢复阶段。

下图为出现超时丢包时，拥塞窗口的变化情况：

拥塞窗口 cwnd 在达到 12MSS 后，出现超时未收到 ACK 确认的情况。状态变量变更情况：

• 慢启动阈值由原先的 8MSS 更新为当前拥塞窗口大小的一半，即 $\frac{\text{cwnd}=12\text{MSS}}{2}=6\text{MSS}$；
• 拥塞窗口设置为 1MSS，重新进入慢启动阶段；

快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用，快速恢复算法认为 能收到 3 个重复的 ACK 说明网络并不糟糕，没必要像 RTO 超时时一样直接将 cwnd 锐减至 1MSS。

进入快速恢复阶段前，cwnd 和 ssthresh 会被更新：

• cwnd = cwnd/2，即新的拥塞窗口设置为原先的一半大小；
• ssthresh = cwnd，设置慢启动阈值等于拥塞窗口大小；

进入快速恢复阶段后，执行如下步骤：

1. 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 (3 的意思确认有 3 个数据包被收到)；
2. 重传丢失的数据包；
3. 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1MSS，这一步的目的是 尽快将丢失的数据包发送给接收方。
4. 如果收到新数据的 ACK ，将 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh。原因是 ACK 确认了新的数据，说明 重传丢失的数据成功（TCP 累积确认机制保证），恢复过程结束，可以恢复到之前的状态。随后，连接进入 拥塞避免状态。

下面为快速恢复阶段，拥塞窗口大小变化示意图：

从图中，我们可以看到几个关键的节点：

• 第 7 轮结束后，cwnd 为 12MSS。第 8 轮发送的消息中出现了消息丢失，接收方收到大于 [下一个期望序号] 的 TCP 段，于是检测到字节流存在缺口。接收方对 已经接收的最后一个按序字节数据进行反复确认。
  当 TCP 发送方收到三个重复的 ACK 后，会将 ssthresh 设置为 $\frac{\text{cwnd}}{2}=\frac{12\text{MSS}}{2}=6\text{MSS}$，cwnd 设置为 $\text{ssthresh}+3\text{MSS}=9\text{MSS}$。这就是为什么第 8 轮后，cwnd 变为 9MSS 的原因。
• 随后，TCP 发送方又接收到了两个重复的 ACK 段，cwnd 从 9MSS 增加为 11 MSS；
• 在第 11 轮后，TCP 发送方接收到了新的 ACK 段，将 cwnd 设置为 ssthresh=6MSS，进入 拥塞避免阶段。

TCP拥塞控制状态机

最后，贴上一张我在学习《计算机网络自顶向下》时，看到的 TCP 拥塞控制状态机，供朋友们参考：

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