TCP拥塞控制：数据包守恒、慢启动、拥塞避免、快重传

TCP拥塞控制的起源

1986年，从LBL到UC Berkeley的网络吞吐由于拥塞出现了从32Kbps到40bps的急剧降低，Van Jacobson 在1988年的论文《Congestion Avoidance and Control》从这个问题出发，提出了数据包守恒定律以及慢启动、拥塞控制和快重传的算法，在1990年又提出了快恢复算法。

数据包守恒原则

在一个运行平稳的TCP链接中流动的数据包应该是守恒的，意思是当只有旧的数据包被成功传输到对端后，新的数据包才能加入到链接中。在TCP协议中，咱们可使用ack来做为判断数据包是否已经成功到达对端的依据，就是说当发送端收到good ack（大于发送端当前已经收到的最大ack的ack）时，它就能够发送新的数据包了。这种根据ack来决定继续发送数据包的机制就叫作self clocking（也叫作ack clocking）。

慢启动

经过数据包守恒原则，咱们知道能够经过ack来决定是否发送新的数据，而要收到ack就要先发送数据。慢启动就开始发送数据时的行为控制。慢启动的整体思路就是从一个很低的初始值开始，逐渐增长数据发送的速度，直到达到超时或者丢包为止。慢启动的实现思路以下：

1. 每一个链接维护一个变量cwnd（congestion window）
2. 当链接刚创建或者遇到丢包时，将cwnd设置为1，单位为MSS（maximum segment size）
3. 每收到一个新的ack，cwnd加一
4. 当发送数据时，可以发送的数据包数量为min(cwnd,awnd)，awnd为接收端的滑动窗口大小(reciver's advertised window)

能够预见，在没有出现超时或者丢包时，慢启动增加的速度是指数级的，因此慢启动实际上并无那么“慢”，“慢”是慢在它的起点只有1个MSS。

拥塞避免

前面提到，慢启动的目的是逐渐增长发送速度进行试探，直到出现网络拥塞，而真正出现拥塞时又该怎么作呢，就是“拥塞避免”所作的事情了。拥塞避免主要由两部分组成：

1. 一个判断当前网路出现拥塞的机制
2. 在出现拥塞时下降发送速度的机制

而拥塞避免的实现思路以下：

1. 当出现超时时，将cwnd设置为当前值的一半（即当出现超时时就认为是出现了拥塞）
2. 每收到一个新的ack，cwnd加1/cwnd（即当传输成功cwnd个数据包时，窗口大小加一，也就是随着RTT线性增长）

这里的两个变动cwnd的行为一般称为“乘法减少”和“加法增大”。

结合慢启动和拥塞避免的算法

值得注意的是，慢启动和拥塞避免其实是两个不一样的算法，它们一个用于试探网络资源的上限，另外一个用于资源使用率达到或者接近上限时的行为。在1988年的论文中给出了一个结合了慢启动和拥塞避免的算法，具体实现思路以下：

1. 发送端维持两个变量：拥塞窗口cwnd（congestion window）和慢启动门限ssthresh（slow start threshold），经过这两个变量来决定当前应该执行慢启动仍是拥塞避免算法。
2. 发送数据时，可以发送的数据包数量为min(cwnd,awnd)
3. 出现超时时，ssthresh更新为cwnd/2（但不能小于2），cwnd设置为1
4. 每收到一个新的zck，发送端的行为是:
   • 若是cwnd<ssthresh，cwnd+=1（慢启动阶段，窗口指数级别增长）
   • 不然cwnd+=1/cwdn（拥塞避免阶段，窗口线性增长）

快重传

快速重传的目的就是让发送端尽快感知到丢包。TCP发送方在每发送一个分段时会启动一个计时器，若是相应的数据包确认没在特定时间内被送回，发送方就假设这个分段在网络上丢失了，须要重发。这也是TCP用来估计RTT的测量方法。

重复确认

重复确认基于如下过程：若是接收方接收到一个数据分段，就会将该分段的序列号加上数据字节长的值，做为分段确认的确认号，发送回发送方，表示指望发送方发送下一个序列号的分段。可是若是接收方提早收到更大的序列号的分段，或者说接收到无序到达的分段，接收方须要当即使用以前的确认号发送分段确认。此时若是发送方收到接收方相同确认号的分段确认超过1次，而且该对应序列号的分段超时计时器仍没超时的话，则这就是出现重复确认，须要进入快速重传。

快送重传就是基于如下机制：若是假设重复阈值为3，当发送方收到4次相同确认号的分段确认（第1次收到确认指望序列号，加3次重复的指望序列号确认）时，则能够认为继续发送更高序列号的分段将会被接受方丢弃，并且会没法有序送达。发送方应该忽略超时计时器的等待重发，当即重发重复分段确认中确认号对应序列号的分段。

TCP拥塞控制的各个实现

这里先列举各个TCP拥塞控制的实现，具体接受后续再补上了。

• TCP Tahoe/Reno，Reno中首次增长了“快恢复”阶段
• TCP Vegas
• TCP New Reno
• TCP BIC/CUBIC
• TCP Westwood/Westwood+
• Compound TCP
• TCP PRR
• TCP BBR