TCP的拥塞控制

计算机网络中的链路容量(带宽)、交换节点中的缓存和处理机等都是网络的资源。

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏，这种情况就叫作拥塞(congestion)。若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

拥塞控制是 TCP 为了避免网络出现过载（拥塞）情况而采取的一种机制。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。

慢启动和拥塞避免：

• 在TCP建立连接之后，发送方会采用慢启动算法逐渐增加发送窗口的大小，以便测试网络的拥塞程度。

• 如果网络出现拥塞，发送方会以指数增长的速度减小发送窗口的大小，从而减少发送速度，以避免网络拥塞的进一步加剧。

拥塞控制：

• TCP使用拥塞控制算法来检测网络拥塞并相应地减少发送速度。

• 当网络出现拥塞时，发送方会采用拥塞避免算法，逐渐减小发送窗口的大小，以降低发送速度。

• 通过监测丢包和延迟，发送方可以判断网络的拥塞情况并相应地调整发送速度。

衡量网络拥塞的指标包括：

• 由于缓存溢出而丢弃的分组的百分比
• 路由器的平均队列长度
• 超时重传的分组数量
• 平均分组时延和分组时延的标准差
• ……

上述指标的上升，都标志着拥塞程度的增大

拥塞控制的基本方法

进行拥塞控制是需要付出代价的。可能需要在节点之间交换信息和各种命令，以便选择拥塞控制的策略并实施控制，这样会产生额外开销。还可能需要预留一些资源用于特殊用户或特殊情况，这样就降低了网络资源的共享程度。

然而，为了确保网络性能的稳定，不会因为输入负载的增长而导致网络性能的恶化甚至出现崩溃，使用拥塞控制而付出一定的代价是值得的。

流量控制与拥塞控制的区别

• 流量控制的主要任务是：解决因发送方发送数据太快而导致接收方来不及接收，造成接收方的接收缓存溢出的问题。

• 拥塞控制的主要任务是：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。

拥塞控制分类

拥塞控制分为开环控制和闭环控制

• 当网络的流量特征可以准确规定且性能要求可以事先获得时，适合使用开环控制。

• 当网络的流量特征不能准确描述或者当网络不提供资源预留时，适合使用闭环控制。因特网采用的就是闭环控制方法。

闭环拥塞控制算法

根据拥塞信息的反馈形式，可将闭环拥塞控制算法分为显式反馈算法和隐式反馈算法。

• 显式反馈算法：从拥塞节点（即路由器）向源点提供关于网络中拥塞状态的显式反馈信息。

• 隐式反馈算法：源点自身通过对网络行为的观察（例如超时重传或往返时间 RTT）来推断网络是否发生了拥塞。TCP 采用的就是隐式反馈算法。

TCP的四种拥塞控制方法（算法）

TCP的四种拥塞控制方法分别为：

• 慢开始 (slow-start)
• 拥塞避免 (congestion avoidance)
• 快重传 (fast retransmit)
• 快恢复 (fast recovery)

为了集中精力讨论用塞控制算法的基本原理，假定如下条件：

• 数据是单方向传送的，而另一个方向只传送确认。

• 接收方总是有足够大的接收缓存空间，因而发送方的发送窗口的大小仅由网络的拥塞程度来决定，也就是不考虑接收方对发送方的流量控制。

• 以TCP 最大报文段 MSS（即 TCP 报文段的数据载荷部分）的个数作为讨论问题的单位，而不是以字节为单位（尽管TCP是面向字节流的）。

窗口

TCP 发送方要维护一个叫作发送窗口的状态变量 swnd，还要维护一个叫作拥塞窗口的状态变量 cwnd

TCP 接收方要维护一个叫作接收窗口的状态变量 rwnd。

发送窗口 swnd 的取值为 $swnd{=}_{min}(cwnd，rwnd)$，发送方可将序号落入发送窗口 swnd 的数据连续发送出去。

• 拥塞窗口 cwnd：取决于网络的拥塞程度和发送方所采用的 TCP 拥塞控制算法

• 接收窗口 rwnd：取决于接收方可用的接收缓存的大小

• cwnd 的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些。

• 判断网络出现拥塞的依据：没有按时收到应当到达的TCP确认报文段而产生了超时重传。

慢开始门限

发送方还需要维护一个叫作慢开始门限的状态变量 ssthresh：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法。

• 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。

• 当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法。

慢开始算法

在 TCP 双方建立连接时，拥塞窗口 cwnd 的初始值被设置为 1（初始为 1 个最大报文段长度 MSS），这是因为主机刚开始发送数据时，完全不知道网络的拥塞情况，如果立即把大量的数据都注入网络中，就有可能引起网络拥塞。

较好的方法是由小到大逐渐增大发送方的拥塞窗口 cwnd 的数值，直到发生拥塞。发送方每收到一个对新发送报文段的确认（ACK），就会将拥塞窗口大小增加 1 个 MSS，即拥塞窗口呈指数增长。

本例情况不考虑 TCP 流量控制的情况，假设慢开始门限 ssthresh 为 16。

拥塞避免算法

当发送方当前拥塞窗口 cwnd 的值，已经增大到了慢开始门限 ssthresh 的值，因此要改用拥塞避免算法，也就是每个传输轮次结束后，cwnd的值只能线性加 1。

发送过程中部分报文段发生了丢失，重传计时器超时，拥塞发送方以此判断网络可能出现了拥塞，需要调整自己的拥塞窗口 cwnd 的值和慢开始门限 ssthresh 的值。

将慢开始门限 ssthresh 的值调整为拥塞开始时拥塞窗口 cwnd 的值的一半，将拥塞窗口 cwnd 的值减小为 1，并重新开始执行慢开始算法。当拥塞窗口 cwnd 的值，增大到了慢开始门限 ssthresh 的值，又重新改用拥塞避免算法。

绘制出本例的拥塞窗口 cwnd 的值随传输轮次 RTT 的变化关系图：

• “慢开始”是指一开始向网络注入的报文段少，而并不是指拥塞窗口 cwnd 的值增长速度慢。

• “拥塞避免”也并非指完全能够避免拥塞，而是指在拥塞避免阶段将cwnd值控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

快重传算法

有时，个别 TCP 报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞，这将导致发送方超时重传，并误认为网络中发生了拥塞。

采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生个别TCP报文段的丢失

“快重传”是指使发送方尽快（尽早）进行重传，而不是等重传计时器超时再重传，这就要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认，即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认。

$ac{k}_n$ 表明序号到 n 为止的数据已正确接收，现在期望收到序号为 n+1 的数据。

发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的重传计时器超时再重传。

对于个别丢失的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误认为出现了拥塞而错误地把拥塞窗口 cwnd 的值减为1。实践证明，使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

快恢复算法

与快重传算法配合使用的是快恢复算法，发送方一旦收到 3 个重复确认，就知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始算法，而是执行快恢复算法。

发送方将慢开始门限 ssthresh 的值和拥塞窗口 cwnd 的值，都调整为当前 cwnd 值的一半，并开始执行拥塞避免算法。

也有的快恢复实现是把快恢复开始时的 cwnd 值再增大一些，即 cwnd = 新ssthresh + 3：

• 既然发送方收到了 3 个重复的确认，就表明有 3 个数据报文段已经离开了网络。

• 这 3 个报文段不再消耗网络资源，而是停留在接收方的接收缓存中。

• 可见现在网络中不是堆积了报文段而是减少了 3 个报文段，因此可以适当把 cwnd 值增大一些。

本例的拥塞窗口 cwnd 的值随传输轮次 RTT 的变化关系图：

TCP拥塞控制的流程

TCP 拥塞控制仍然是计算机网络中的一个研究热点，TCP 拥塞控制算法也还在不断地发展和变化。

TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系

路由器的输入缓存（可看作缓存队列，以下简称为队列）通常都按照先进先出 FIFO 的规则来处理到达的IP数据报。由于队列长度总是有限的，因此当队列已满时，之后再到达的所有IP数据报都将被丢弃，这就叫作 尾部丢弃策略。

为了避免网络中出现全局同步问题，在1998年提出了主动队列管理（Active Queue Management，AQM）所谓“主动”，就是在路由器的队列长度达到某个阈值但还未满时就主动丢弃IP数据报，而不是要等到路由器的队列已满时才不得不丢弃后面到达的IP数据报，这样就太被动了。

应当在路由器队列长度达到某个值得警惕的数值时，也就是网络出现了某些拥塞征兆时，就主动丢弃到达的IP数据报来造成发送方的超时重传，进而降低发送方的发送速率，因而有可能减轻网络的拥塞程度甚至不出现网络拥塞。

主动队列管理 AQM 可以有不同的实现方法，其中曾流行多年的就是随机早期检测（Random Early Detection，RED），也称为随机早期丢奔(Random Early Drop，RED或 Random Early Discard，RED)。

路由器需要维护两个参数来实现RED：队列长度最小门限和最大门限。当每一个IP数据报到达路由器时，RED就按照规定的算法计算出当前的平均队列长度。

• 若平均队列长度小于最小门限，则把新到达的IP数据报存入队列进行排队。

• 若平均队列长度大于最大门限，则把新到达的IP数据报丢弃，

• 若平均队列长度在最小门限和最大门限之间，则按照某一丢弃概率p把新到达的IP数据报丢弃(这体现了丢弃IP数据报的随机性)

但使用 RED 机制效果并不理想，已被列为废弃。