【面试八股总结】传输控制协议TCP（三）

参考资料 ：小林Coding、阿秀、代码随想录

一、TCP拥塞控制⭐

1.  慢启动 – Slow Start

        慢启动是指TCP连接刚建立，一点一点地提速，试探一下网络的承受能力，以免直接扰乱了网络通道的秩序。

慢启动算法：

• 初始拥塞窗口 cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。
• 每当发送方收到一个ACK，cwnd大小加一。
• 每当过了一个往返延迟时间RTT(Round-Trip Time)，cwnd大小直接翻倍，乘以2，呈指数让升。
• 慢启动拥有一个ssthresh（slow start threshold）门限，当 cwnd >= ssthresh 时，就会进入拥塞避免算法

2. 拥塞避免 – Congestion Avoidance

        当拥塞窗口大小cwnd大于等于慢启动阈值ssthresh后，就进入拥塞避免算法。算法如下：

• 收到一个ACK，则 cwnd = cwnd + 1 / cwnd
• 每当过了一个往返延迟时间 RTT，cwnd 大小加一

        过了慢启动阈值后，拥塞避免算法可以避免窗口增长过快导致窗口拥塞，而是缓慢的增加调整到网络的最佳值。

举个🌰：

“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段把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。

3. 拥塞发生

        TCP拥塞控制默认认为网络丢包是由于网络拥塞导致的，所以一般的TCP拥塞控制算法以丢包为网络进入拥塞状态的信号。对于丢包有两种判定方式，一种是超时重传RTO（Retransmission Timeout），另一个是快速重传（收到三个重复确认ACK）。（重传机制具体介绍见第三部分）

1）超时重传RTO

        超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。

• 由于发生丢包，将慢启动阈值ssthresh设置为当前拥塞窗口cwnd的一半，即 ssthresh = cwnd / 2
• cwnd重置为1 （恢复为 cwnd 初始化值）
• 进入慢启动过程

2）快速重传

        如果发送端接收到3个以上的重复ACK，TCP就意识到数据发生丢失，需要重传。这个机制不需要等到重传定时器超时，所以叫快速重传。

• cwnd大小缩小为当前的一半
• ssthresh设置为缩小后的cwnd大小
• 然后进入快速恢复算法Fast Recovery。

4. 快速恢复 —— Fast Recovery

        TCP Tahoe是早期的算法，所以没有快速恢复算法，而Reno算法有。在进入快速恢复之前，cwnd 和 ssthresh 已经被更改为原有 cwnd 的一半。快速恢复算法的逻辑如下：

• 拥塞窗口 cwnd = cwnd + 3 MSS，加 3 MSS的原因是因为收到3个重复的ACK。

• 重传丢失的数据包。

• 如果再收到重复的ACK，那么cwnd大小增加一。

• 如果收到新的ACK，表明重传的包成功了，那么退出快速恢复算法。将cwnd设置为ssthresh，然后进入拥塞避免算法。

  

二、TCP可靠传输

        TCP协议保证数据传输可靠性的方法主要有：校验和、序列号、确认应答、超时重传、连接管理、流量控制、拥塞控制。

1. 数据校验：TCP报文头有校验和，采用CRC校验全部数据；

2. 序列号和确认应答：TCP通过给每个发送的数据段分配一个序号，以及使用确认机制ACK来跟踪数据的传输与接收。接收方会确认已经成功接收的数据，发送方则根据收到的确认确定哪些数据已经被成功传输，哪些需要重新发送。

3. 超时和重传：TCP使用超时机制来检测是否发生数据包丢失，如果发送方在一定时间内未收到确认，就认为数据包丢失，并触发响应的重传。这确保及时某个数据包在传输过程中丢失，最终仍能够被成功传递。

4. 连接管理：通信前确认通信实体的存在。（具体见【面试八股总结】传输控制协议TCP（一）-CSDN博客）

5. 流量控制：TCP使用滑动窗口机制进行流量控制，确保发送方不会以高于接收方处理速度的速率发送数据，这有助于防止接收方缓冲溢出，提高整个通信链路效率，防止数据包丢失。（具体见【面试八股总结】传输控制协议TCP（二）-CSDN博客）

6. 拥塞控制：TCP还具有拥塞控制机制，通过动态调整发送速率以适应网络状况。当网络出现拥塞时，通过拥塞窗口，减缓发送速率，防止进一步加剧拥塞。（具体见第一部分）

三、TCP重传机制

1. 超时重传

       TCP在发送数据时，会设定一个定时器，当超过指定的时间后，没有收到对方的 ACK 确认应答报文，就会重发该数据，也就是超时重传。TCP 会在以下两种情况发生超时重传：

• 数据包丢失
• 确认应答丢失

超时重传时间RTO（Retransmission Timeout）

• 当超时时间 RTO 较大时，网络的空闲时间增大，降低了传输效率。
• 当超时时间 RTO 较小时，会引起很多报文段的不必要的重传，使网络负荷增大。

        TCP 采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时延RTT（Round-Trip Time）。

TCP保留RTT的一个加权平均往返时间RTTS（又称为平滑的往返时间）。

第一次测量到 RTT 样本时，RTTS 值就取为所测量到的 RTT 样本值。以后每测量到一个新的 RTT 样本，就按下式重新计算一次 RTTS：

新的RTTs = (1 - α) × (旧的 RTTs) + α ×(新的 RTT 样本)

式中，0 ＜ α ＜ 1。若 α 很接近于零，表示 RTT 值更新较慢。若选择α接近于 1，则表示 RTT 值更新较快。

2. 快速重传

        快速重传（Fast Retransmit）机制，不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。  快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段。 

3. SACK 选择确认

        如果要使用选择确认，建立 TCP 连接时，就要在 TCP 首部的选项中加上“允许 SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。在 TCP 报文段的首部中增加 SACK 选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。由于首部选项的长度最多只有 40 字节，而指明一个边界就要用掉 4 字节，因此在选项中最多只能指明 4 个字节块的边界信息。

4. Duplicate SACK

        Duplicate SACK 又称 D-SACK，其主要使用了 SACK 来告诉发送方有哪些数据被重复接收。

使用D-SACK的优点：

1. 可以让「发送方」知道，是发出去的包丢了，还是接收方回应的 ACK 包丢了;
2. 可以知道是不是「发送方」的数据包被网络延迟了;
3. 可以知道网络中是不是把「发送方」的数据包给复制了。