计算机网络 （38）TCP的拥塞控制

前言

       TCP拥塞控制是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）避免网络拥塞的算法，是互联网上主要的一个拥塞控制措施。

一、目的

       TCP拥塞控制的主要目的是防止过多的数据注入到网络中，使网络能够承受现有的网络负荷，从而避免网络出现过载（拥塞）情况。在网络通信中，当发送的数据量超过网络的承载能力时，就会出现拥塞，导致数据包丢失、延迟增加等问题。TCP的拥塞控制机制通过动态地调整发送方的发送速率，使网络中的数据流量保持在一个合理的水平，以提高网络资源的利用率和数据传输的效率，同时保证数据传输的可靠性。

二、方法

       TCP使用多种拥塞控制策略来避免雪崩式拥塞，主要包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复四个部分。这些策略通过动态调整一个叫做拥塞窗口（cwnd）的参数来控制数据的发送速率。

1. 慢启动（Slow Start）：

   • 当一个TCP连接建立时，拥塞窗口（cwnd）从一个小的初始值开始（如1个最大报文段长度MSS）。
   • 对于每个成功确认的包，cwnd的大小会加倍，这使得窗口大小呈指数增长。这种快速增长的方式允许发送方在开始时快速探测网络的可用容量。
   • 当cwnd达到一个阈值ssthresh（慢启动阈值）时，TCP进入拥塞避免阶段。

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）：

   • 在拥塞避免阶段，cwnd的增长速度会变慢，以避免网络拥塞。
   • 每经过一个RTT（往返时间），cwnd只增加一个MSS。这样，窗口大小呈线性增长。
   • 如果发送方检测到网络拥塞（如通过超时或重复确认），它会将cwnd减小，并调整ssthresh的值，然后重新进入慢启动阶段或继续执行拥塞避免算法。

3. 快速重传（Fast Retransmit）：

   • 当接收方收到失序的报文段时，它会立即发送重复确认（即连续发送多个相同的ACK）。
   • 发送方收到3个或更多重复确认时，它会立即重传未被确认的最小序号的包，而不是等待超时。这可以减少因等待超时而导致的发送延迟。

4. 快速恢复（Fast Recovery）：

   • 在快速重传后，TCP不会将cwnd重置为1并重新进入慢启动阶段，而是将cwnd调整为ssthresh的一半（或某个其他值），并立即进入拥塞避免阶段。
   • 这样，发送方可以继续发送数据，而不需要经历慢启动阶段的指数增长过程。快速恢复算法有助于在发生丢包后更快地恢复数据传输。

三、实现细节

1. 拥塞窗口的维护：

   • 发送方需要维护一个拥塞窗口（cwnd）的状态变量，用于控制发送数据的速率。
   • 接收方也需要维护一个接收窗口（rwnd）的状态变量，用于告知发送方自己的接收能力。
   • 发送窗口（swnd）的大小取决于cwnd和rwnd的较小值，即swnd = min(cwnd, rwnd)。

2. 超时与重传：

   • 发送方在发送每个报文段时都会启动一个超时计时器。
   • 如果在超时时间内没有收到接收方的确认应答，发送方会认为该报文段已丢失，并重新发送它。
   • 超时重传是TCP可靠传输的重要机制之一。

3. 隐式反馈与显式反馈：

   • TCP采用隐式反馈算法来检测网络拥塞。这种算法通过观察网络行为（如超时重传或往返时间RTT）来推断网络是否发生了拥塞。
   • 与之相对的是显式反馈算法，它从拥塞节点（如路由器）向源点提供关于网络中拥塞状态的显式反馈信息。TCP不使用显式反馈算法。

四、意义

       TCP拥塞控制对于确保网络的稳定性和高效性至关重要。通过动态调整发送速率和拥塞窗口的大小，TCP能够适应不同的网络条件，并避免网络拥塞的发生。这有助于提高网络资源的利用率、减少数据包的丢失和延迟、以及提高数据传输的可靠性和效率。

总结 

       综上所述，TCP拥塞控制是计算机网络中不可或缺的一部分。它通过慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等策略，以及动态调整拥塞窗口的大小和发送速率，确保了数据在网络中的高效、稳定传输。

 结语      

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