408考研逐题详解：2009年第39题

2009年第39题

一个 TCP 连接总是以 1KB 的最大段长发送 TCP 段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为 16KB 时发生了超时，如果接下来的 4 个 RTT（往返时间）时间内的 TCP 段的传输都是成功的，那么当第 4 个 RTT 时间内发送的所有 TCP 段都得到肯定应答时，拥塞窗口大小是（ ）

A. 7KB \qquad B. 8KB \qquad C. 9KB \qquad D. 16KB

解析

本题考查 TCP 拥塞控制机制，特别是超时后拥塞窗口（cwnd）的变化过程，涉及慢启动（Slow Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）两个阶段的核心知识点。

1. 拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）：是 TCP 协议中由发送方维护的一个状态变量，用于动态控制发送速率，防止网络过载。它表示在当前网络状态下允许发送但尚未收到确认（ACK）的最大数据量（单位通常是字节或 MSS）。其核心作用包括：

   • 拥塞控制：通过动态调整 cwnd 的大小，避免网络因流量过大而瘫痪。
   • 平衡效率：在最大化吞吐量和避免丢包之间寻找平衡点。
   • 自适应网络：根据网络状况（如丢包、延迟）自动调整发送速率。

   拥塞窗口与接收窗口的区别如下表所示：

   特性	拥塞窗口（cwnd）	接收窗口（rwnd）
   控制方	发送方维护	接收方通告
   目的	防止网络拥塞	防止接收方缓冲区溢出
   依据	网络拥塞状况（如丢包、超时）	接收方可用缓冲区大小
   动态性	根据拥塞算法自动调整	由接收方显式通知

   实际发送窗口大小 = min(cwnd, rwnd)

2. TCP 拥塞控制基础：

   • TCP 使用拥塞窗口控制发送速率，避免网络拥塞。cwnd 表示发送方在未收到确认前可以发送的最大数据量（单位为字节或 MSS）。
   • MSS（Maximum Segment Size）是最大段长，本题中为 1KB。
   • 当发生超时（表明网络拥塞）时，TCP 会触发拥塞控制机制：慢启动阈值（ssthresh）设置为当前 cwnd 的一半，cwnd 重置为 1 个 MSS。

3. 慢启动（Slow Start）：

   • 触发条件：cwnd < ssthresh 时。
   • 窗口增长规则：每收到一个确认（ACK），cwnd 增加 1 个 MSS（即指数增长）。每个 RTT 内，cwnd 大约翻倍（因为所有段被确认后，cwnd 会倍增）。
   • 增长公式：若初始 cwnd = 1 MSS，则：
     • 第 1 个 RTT 后：cwnd = 2 × 1 MSS = 2 MSS
     • 第 2 个 RTT 后：cwnd = 2 × 2 MSS = 4 MSS
     • 以此类推。

4. 拥塞避免（Congestion Avoidance）：

   • 触发条件：cwnd ≥ ssthresh 时。
   • 窗口增长规则：每个 RTT 内，cwnd 线性增加 1 个 MSS（无论当前 cwnd 大小）。具体实现中，每收到一个 ACK，cwnd 增加 (MSS × MSS) / cwnd（字节单位），但整体效果是每个 RTT 结束（所有段被确认后），cwnd 增加 1 个 MSS。
   • 增长公式：若进入拥塞避免时 cwnd = w MSS，则：
     • 第 1 个 RTT 后：cwnd = w + 1 MSS
     • 第 2 个 RTT 后：cwnd = w + 2 MSS
     • 以此类推。

5. 超时处理：

   • 发生超时时，ssthresh 更新为当前 cwnd 的一半（向下取整），cwnd 重置为 1 MSS。
   • 本题中，超时前 cwnd = 16KB，因此：
     • ssthresh = floor(16KB / 2) = 8KB
     • cwnd 重置为 1 MSS = 1KB。

6. RTT 与传输过程：

   • RTT（往返时间）是发送数据到收到确认的时间。
   • 题目要求在“第 4 个 RTT 时间内发送的所有 TCP 段都得到肯定应答时”的 cwnd，即第 4 个 RTT 结束时（所有 ACK 到达后）的 cwnd 值。
   • “传输成功”表示所有段都被确认，无丢包，cwnd 按规则增长。

根据知识点，逐步计算超时后 4 个 RTT 内的 cwnd 变化。初始状态：超时后，cwnd = 1KB, ssthresh = 8KB（因超时前 cwnd = 16KB，ssthresh = 16KB / 2 = 8KB）。

1. 第 1 个 RTT：

   • 起始 cwnd = 1KB（cwnd < ssthresh，处于慢启动）。
   • 发送数据量 = cwnd = 1KB（即 1 个段，因 MSS = 1KB）。
   • 传输成功：所有段被确认。
   • 结束 cwnd：每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 MSS（慢启动规则）。由于发送 1 个段，收到 1 个 ACK，cwnd = 1KB + 1KB = 2KB。
   • 此时，cwnd = 2KB < ssthresh = 8KB，仍处于慢启动。

2. 第 2 个 RTT：

   • 起始 cwnd = 2KB（cwnd < ssthresh，慢启动）。
   • 发送数据量 = cwnd = 2KB（2 个段）。
   • 传输成功：所有段被确认。
   • 结束 cwnd：收到 2 个 ACK，每个 ACK 使 cwnd 增加 1 MSS，因此 cwnd = 2KB + 2 × 1KB = 4KB（或指数增长：2KB × 2 = 4KB）。
   • 此时，cwnd = 4KB < ssthresh = 8KB，仍处于慢启动。

3. 第 3 个 RTT：

   • 起始 cwnd = 4KB（cwnd < ssthresh，慢启动）。
   • 发送数据量 = cwnd = 4KB（4 个段）。
   • 传输成功：所有段被确认。
   • 结束 cwnd：收到 4 个 ACK，每个 ACK 使 cwnd 增加 1 MSS，因此 cwnd = 4KB + 4 × 1KB = 8KB（或指数增长：4KB × 2 = 8KB）。
   • 此时，cwnd = 8KB ≥ ssthresh = 8KB，因此进入拥塞避免阶段（根据 TCP 标准，当 cwnd ≥ ssthresh 时切换）。

4. 第 4 个 RTT：

   • 起始 cwnd = 8KB（cwnd ≥ ssthresh，处于拥塞避免）。
   • 发送数据量 = cwnd = 8KB（8 个段）。
   • 传输成功：所有段被确认（题目要求）。
   • 结束 cwnd：在拥塞避免阶段，当所有段被确认后（即所有 ACK 到达），cwnd 线性增加 1 个 MSS（每个 RTT 增加 1 MSS）。因此，cwnd = 8KB + 1KB = 9KB。
   • 详细增长：每收到一个 ACK，cwnd 增加 (MSS × MSS) / cwnd = (1KB × 1KB) / 8KB = 0.125KB。发送 8 个段，收到 8 个 ACK，总增加 8 × 0.125KB = 1KB，故 cwnd = 8KB + 1KB = 9KB。

当第 4 个 RTT 时间内发送的所有 TCP 段都得到肯定应答时（即第 4 个 RTT 结束时），拥塞窗口大小是 9KB。

本题答案：C