【网路通信基础与实践番外二】TCP协议的流量控制和拥塞控制以及二者区别和例题

TCP协议是端对端的协议，因此在数据进行传输的过程受发送方，数据通道，接收方三方状态的影响。我们用水龙头来比喻数据发送方，水管来比喻数据通道，水桶来表示数据接收方。

图(a)表示水桶太小，来不及接受注入水桶的水，而传输网络保持畅通，这时只能请求管水龙头的人把水龙头拧小一些，以减缓放水的速率，这就相当于是流量控制。

图(b)表示虽然水桶足够大，但是管道中有很狭窄的地方，使得管道不通畅，水流被堵塞，这种情况反馈到管水龙头的人那里，请求把水龙头拧小一些，以减缓放水的速率，为的减缓水管的堵塞状态，这就相当于是拥塞控制。

一、流量控制

在每一个TCP连接的一侧主机都会有一个socket缓冲区，缓冲区会为每个连接设置接收缓存和发送缓存，当TCP建立连接后，从应用程序产生的数据就会到达接收方的接收缓冲区中，接收方的应用程序并不一定会马上读取缓冲区的数据，他需要等待操作系统分配时间片。如果此时发送方的应用程序产生数据过快，而接收方读取接收缓冲区的数据相对较慢的话，那么接受方中缓冲区的数据就会溢出。

TCP的流量控制本质上是一个速度匹配服务，匹配发送方发送率和接收方的接受速率，避免出现发送方发送过快而接收方接受过慢的情况，从而消除缓冲区溢出的情况。

TCP通过使用一个接收窗口（receive window）来提供流量控制。在TCP报文结构中首部有一个接收窗口变字段，接收端通过向发送端发送报文，报文中就包含了接受窗口变量，接收窗口会给发送方一个指示到底还有多少可用的缓存空间。发送方发送不能超过这个限额的数据，这样发送方会根据接收端的实际接受能力来控制发送到数据量。

那么知道了接收窗口（receive window）之后，它具体是如何用来流量控制呢？

如上图所示，发送端主机会定期向接收端主机发送一个窗口探测包，这个包用于探测接收端主机是否能够接收数据，当接收端的缓冲区一旦面临数据溢出的风险，窗口大小的值也随之被设置为一个更小的值通知到发送端，从而控制数据发送量。

开始的窗口大小设置为3000，发送方每次发送报文长度为1000的报文，当接收端B收到2000-2999的报文之后缓冲区已满，不得不暂停接收数据。然后主机A发送窗口探测包，窗口探测包是一个非常小的字节，然后主机B更新缓冲区接受窗口大小并发送窗口更新通知到主机A，然后主机A再继续发送报文段。在上面的发送过程中，窗口更新通知可能会丢失，一旦丢失发送端就不会发送数据，所以窗口探测包会随机发送，以避免这种情况发生。

二、拥塞控制

有了TCP窗口控制机制之后，使得计算机网络中两个主机之间不再是以单个数据段的形式发送了，而是能够连续发送大量的数据包。但是发送大数据包的时候也面临着例如网络负载、网络拥堵的问题。TCP为了防止这类问题的出现，使用了拥塞控制机制，会在面临网络拥塞时遏制发送方的数据发送。

拥塞控制主要有两种方法：

端到端的控制：因为网络层没有为运输层拥塞控制提供显示支持，IP层不会向端系统提供有关网络拥塞的反馈信息。如果超时或者三次冗余确认就被认为是网络拥塞，TCP会减小窗口的大小，或者增加往返时延来避免。

网络辅助的拥塞控制：在网络辅助的拥塞控制中，路由器会向发送方提供有关网络中拥塞状态的反馈。这种反馈信息就是一个比特信息，它指示链路中的拥塞情况。

TCP发送方通过超时或者三个冗余ACK来感知网络拥塞，通过拥塞窗口cwnd来限制TCP在接收到ACK之前可以发送到网络的数据量。

一般来说，发送方未确认的数据量不得超过cwnd和rwnd的最小值，即：

LastByteSent - LastByteAcked <= min(cwnd, rwnd)

由于每个数据包往返时间为诶RTT，我们假设接受空间有足够的缓存用来接收数据，即只考虑cwnd，那么发送方的发送速率为cwnd/RTT 字节/秒，通过调节cwnd，发送方就可以调节它向连接发送数据的速率。

TCP进行拥塞控制的算法有四种：慢开始（slow start），拥塞避免（congestion avoidance），快重传（fast retransmit）和快恢复（fast recovery）

（1）慢开始

当一条TCP开始建立连接时，cwnd的值会初始化一个MSS的较小值。在慢启动的方式中，cwnd的值会初始化为一个MSS，并且每次传输报文确认后会增加一个MSS，cwnd的值会变成2个MSS，这两个报文段都传输成功后每个报文段加一，会变成4个MSS，以此类推，每成功一次cwnd的值会翻倍。

（2）拥塞避免

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。当cwnd > ssthresh时停用慢开始算法而改用拥塞避免算法，具体表现为加法线性规律缓慢增大。

（3）快重传和快恢复

有时候个别报文段就会在网络中意外丢失，但是实际上网络并未发生拥塞。如果发送方迟迟收不到确认，就会产生超时，并误认为网络发生了拥塞。这就导致发送方错误地开启慢启动模式，又将拥塞窗口设置为1，不必要的降低了传输效率。

快重传算法规定发送方只要一连收到3个重复确认，就可以知道现在并未出现网络拥塞，而只是接收方少收到一个报文段，并对此报文段进行重传。

在3-ACK点处发送方知道现在只是丢失了个别的报文段，于是不启动慢开始，而是执行快恢复算法。这时发送方第二次调整门限值，使ssthresh = cwnd / 2，开始执行拥塞避免算法。

 

三、流量控制和拥塞控制的区别

四、例题

 超时之后ssthresh = cwnd / 2 = 16 / 2 =8，之后执行慢开始，第一个RTT是2，第二次RTT是4，第三个RTT是8，此时cwnd = ssthresh = 8，执行拥塞避免算法，每次增长1，第四个RTT是9