TCP 滑动窗口和 拥塞窗口

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滑动窗口 -- 表征发送端和接收端的接收能力

拥塞窗口-- 表征中间设备的传输能力

 

TCP滑动窗口

须要说明一下，若是你不了解TCP的滑动窗口这个事，你等于不了解TCP协议。咱们都知道，TCP必须要解决的可靠传输以及包乱序（reordering）的问题，因此，TCP必须要知道网络实际的数据处理带宽或是数据处理速度，这样才不会引发网络拥塞，致使丢包。

因此，TCP引入了一些技术和设计来作网络流控，Sliding Window是其中一个技术。 前面咱们说过，TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端本身还有多少缓冲区能够接收数据。因而发送端就能够根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会致使接收端处理不过来。 为了说明滑动窗口，咱们须要先看一下TCP缓冲区的一些数据结构：

上图中，咱们能够看到：

• 接收端LastByteRead指向了TCP缓冲区中读到的位置，NextByteExpected指向的地方是收到的连续包的最后一个位置，LastByteRcved指向的是收到的包的最后一个位置，咱们能够看到中间有些数据尚未到达，因此有数据空白区。

• 发送端的LastByteAcked指向了被接收端Ack过的位置（表示成功发送确认），LastByteSent表示发出去了，但尚未收到成功确认的Ack，LastByteWritten指向的是上层应用正在写的地方。

因而：

• 接收端在给发送端回ACK中会汇报本身的AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer – LastByteRcvd – 1;

• 而发送方会根据这个窗口来控制发送数据的大小，以保证接收方能够处理。

下面咱们来看一下发送方的滑动窗口示意图：

（图片来源）

上图中分红了四个部分，分别是：（其中那个黑模型就是滑动窗口）

• #1已收到ack确认的数据。
• #2发还没收到ack的。
• #3在窗口中尚未发出的（接收方还有空间）。
• #4窗口之外的数据（接收方没空间）

下面是个滑动后的示意图（收到36的ack，并发出了46-51的字节）：

下面咱们来看一个接受端控制发送端的图示：

 

 

 

TCP的拥塞处理 – Congestion Handling

上面咱们知道了，TCP经过Sliding Window来作流控（Flow Control），可是TCP以为这还不够，由于Sliding Window须要依赖于链接的发送端和接收端，其并不知道网络中间发生了什么。TCP的设计者以为，一个伟大而牛逼的协议仅仅作到流控并不够，由于流控只是网络模型4层以上的事，TCP的还应该更聪明地知道整个网络上的事。

具体一点，咱们知道TCP经过一个timer采样了RTT并计算RTO，可是，若是网络上的延时忽然增长，那么，TCP对这个事作出的应对只有重传数据，可是，重传会致使网络的负担更重，因而会致使更大的延迟以及更多的丢包，因而，这个状况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下，若是一个网络内有成千上万的TCP链接都这么行事，那么立刻就会造成“网络风暴”，TCP这个协议就会拖垮整个网络。这是一个灾难。

因此，TCP不能忽略网络上发生的事情，而无脑地一个劲地重发数据，对网络形成更大的伤害。对此TCP的设计理念是：TCP不是一个自私的协议，当拥塞发生的时候，要作自我牺牲。就像交通阻塞同样，每一个车都应该把路让出来，而不要再去抢路了。

关于拥塞控制的论文请参看《Congestion Avoidance and Control》(PDF)

拥塞控制主要是四个算法：1）慢启动，2）拥塞避免，3）拥塞发生，4）快速恢复。这四个算法不是一天都搞出来的，这个四算法的发展经历了不少时间，到今天都还在优化中。 备注:

• 1988年，TCP-Tahoe 提出了1）慢启动，2）拥塞避免，3）拥塞发生时的快速重传
• 1990年，TCP Reno 在Tahoe的基础上增长了4）快速恢复

慢热启动算法 – Slow Start

首先，咱们来看一下TCP的慢热启动。慢启动的意思是，刚刚加入网络的链接，一点一点地提速，不要一上来就像那些特权车同样霸道地把路占满。新同窗上高速仍是要慢一点，不要把已经在高速上的秩序给搞乱了。

慢启动的算法以下(cwnd全称Congestion Window)：

1）链接建好的开始先初始化cwnd = 1，代表能够传一个MSS大小的数据。

2）每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升

3）每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升

4）还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”（后面会说这个算法）

因此，咱们能够看到，若是网速很快的话，ACK也会返回得快，RTT也会短，那么，这个慢启动就一点也不慢。下图说明了这个过程。

这里，我须要提一下的是一篇Google的论文《An Argument for Increasing TCP’s Initial Congestion Window》Linux 3.0后采用了这篇论文的建议——把cwnd 初始化成了 10个MSS。 而Linux 3.0之前，好比2.6，Linux采用了RFC3390，cwnd是跟MSS的值来变的，若是MSS< 1095，则cwnd = 4；若是MSS>2190，则cwnd=2；其它状况下，则是3。

 拥塞避免算法 – Congestion Avoidance

前面说过，还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。通常来讲ssthresh的值是65535，单位是字节，当cwnd达到这个值时后，算法以下：

1）收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2）当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

这样就能够避免增加过快致使网络拥塞，慢慢的增长调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法

前面咱们说过，当丢包的时候，会有两种状况：

1）等到RTO超时，重传数据包。TCP认为这种状况太糟糕，反应也很强烈。

• sshthresh =  cwnd /2
• cwnd 重置为 1
• 进入慢启动过程

2）Fast Retransmit算法，也就是在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时。

• TCP Tahoe的实现和RTO超时同样。

• TCP Reno的实现是：
  • cwnd = cwnd /2
  • sshthresh = cwnd
  • 进入快速恢复算法——Fast Recovery

上面咱们能够看到RTO超时后，sshthresh会变成cwnd的一半，这意味着，若是cwnd<=sshthresh时出现的丢包，那么TCP的sshthresh就会减了一半，而后等cwnd又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，就会成慢慢的线性增涨。咱们能够看到，TCP是怎么经过这种强烈地震荡快速而当心得找到网站流量的平衡点的。

快速恢复算法 – Fast Recovery

TCP Reno

这个算法定义在RFC5681。快速重传和快速恢复算法通常同时使用。快速恢复算法是认为，你还有3个Duplicated Acks说明网络也不那么糟糕，因此没有必要像RTO超时那么强烈。 注意，正如前面所说，进入Fast Recovery以前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

• cwnd = cwnd /2
• sshthresh = cwnd

而后，真正的Fast Recovery算法以下：

• cwnd = sshthresh  + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）
• 重传Duplicated ACKs指定的数据包
• 若是再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1
• 若是收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，而后就进入了拥塞避免的算法了。

若是你仔细思考一下上面的这个算法，你就会知道，上面这个算法也有问题，那就是——它依赖于3个重复的Acks。注意，3个重复的Acks并不表明只丢了一个数据包，颇有多是丢了好多包。但这个算法只会重传一个，而剩下的那些包只能等到RTO超时，因而，进入了恶梦模式——超时一个窗口就减半一下，多个超时会超成TCP的传输速度呈级数降低，并且也不会触发Fast Recovery算法了。

一般来讲，正如咱们前面所说的，SACK或D-SACK的方法可让Fast Recovery或Sender在作决定时更聪明一些，可是并非全部的TCP的实现都支持SACK（SACK须要两端都支持），因此，须要一个没有SACK的解决方案。而经过SACK进行拥塞控制的算法是FACK（后面会讲）

TCP New Reno

因而，1995年，TCP New Reno（参见 RFC 6582 ）算法提出来，主要就是在没有SACK的支持下改进Fast Recovery算法的——

• 当sender这边收到了3个Duplicated Acks，进入Fast Retransimit模式，开发重传重复Acks指示的那个包。若是只有这一个包丢了，那么，重传这个包后回来的Ack会把整个已经被sender传输出去的数据ack回来。若是没有的话，说明有多个包丢了。咱们叫这个ACK为Partial ACK。

• 一旦Sender这边发现了Partial ACK出现，那么，sender就能够推理出来有多个包被丢了，因而乎继续重传sliding window里未被ack的第一个包。直到再也收不到了Partial Ack，才真正结束Fast Recovery这个过程

咱们能够看到，这个“Fast Recovery的变动”是一个很是激进的玩法，他同时延长了Fast Retransmit和Fast Recovery的过程。

算法示意图

下面咱们来看一个简单的图示以同时看一下上面的各类算法的样子：