图解 TCP 拥塞控制
文章目录
- 什么是拥塞控制
- 拥塞控制算法
- 慢启动
- 拥塞避免
- 快速恢复
- TCP拥塞控制状态机
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:
- 慢启动;
- 拥塞避免
- 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:
- 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。
- 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。
- 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 MSS cwnd ⋅ MSS \frac{\text{MSS}}{\text{cwnd}}\cdot{\text{MSS}} cwndMSS⋅MSS 字节,即每收到 cwnd MSS \frac{\text{cwnd}}{\text{MSS}} MSScwnd 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 1 MSS cwnd = 8 MSS ⋅ 8 MSS = 1 MSS \frac{1\text{MSS}}{\text{cwnd}=8\text{MSS}}\cdot{8}\text{MSS}=1 \text{MSS} cwnd=8MSS1MSS⋅8MSS=1MSS。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:
- 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。
- 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 cwnd = 12 MSS 2 = 6 MSS \frac{\text{cwnd}=12 \text{MSS}}{2}=6\text{MSS} 2cwnd=12MSS=6MSS;
- 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:
- 拥塞窗口
cwnd = ssthresh + 3(3 的意思确认有 3 个数据包被收到); - 重传丢失的数据包;
- 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。
- 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 cwnd 2 = 12 MSS 2 = 6 MSS \frac{\text{cwnd}}{2}=\frac{12\text{MSS}}{2}=6\text{MSS} 2cwnd=212MSS=6MSS,cwnd 设置为 ssthresh + 3 MSS = 9 MSS \text{ssthresh} + 3\text{MSS}=9\text{MSS} ssthresh+3MSS=9MSS。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:
感谢大家的阅读,如果您对本博客有任何建议和疑问,欢迎在评论区里提出,我们一起讨论共同进步!
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