计算机网络学习笔记：TCP流控、拥塞控制

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前言

  TCP协议中的流量和拥塞，是两个关键的控制指标，两者的侧重点也是不一样的：

• 流量控制：侧重于控制点对点通信中发送方与接收方的流量，保证发送方的发送速率不高于接收方的接收速率，避免接收方的缓存溢出。
• 拥塞控制：侧重于控制全局网络中的主机，路由器，按照拥塞控制算法，自行控制发送速率。防止过多的数据注入到网络中，使网络可以承受现有的负荷。

一、TCP流量控制

  流量控制的目的，是为了避免发送方的发送速率高于接收方的接收速率，具体是接收方根据自己的接收能力，控制发送方的发送速率。
  控制手段则是通过发送方的发送窗口swnd（s:send）和接收方的接收窗口rwnd（r:receive）。

1.1、案例：三次流量控制

  TCP流量控制的过程，假设我有A和B两台主机，A是发送方，B是接收方。那么在建立连接时，B应该通知A，自己的接收窗口是多少，A相应地将自己的发送窗口也设置相同的大小：

  A发送出第一个报文段，对应的是1-100：

  A发送出第二个报文段，对应的是101-200：

  发送第三个报文段，丢失：

  主机B给主机A发送累计确认报文段，对seq为201之前的数据进行累计确认

  在累计确认的同时，接收方通知发送方，自己的rwnd大小发生了变更，则发送方在将自己发送数据的滑动窗口向前滑动时，也要将自己的swnd同步变更，当前的rwnd和滑动窗口如图所示，这是第一次流量控制的体现

  随后发送301~500的数据。

  201到300的重传计时器超时了，主机A将其重新封装成一个TCP报文段进行发送，主机B发送一个确认报文段，同时调整自身的接收窗口为100：

  这是第二次流量控制的体现

  最后发送501~600的数据，并且接收方进行确认，并进行最后一次流量控制，将rwnd设置为0，表示不再接受数据，有可能是因为接收方的缓存区已满。

  上述的过程，就是一次完整的流量控制。

1.2、持续计时器

  接着上面的案例，假设最后一次流量控制之后，接收方B处理完成了数据，缓存区又有了空间，准备继续接收发送方A的数据，这时B需要再次对A进行流量控制，将自身的rwnd调整至300：

  但是消息在发送的过程中丢失了，那么就会出现A一直等待B的非零窗口通知，B一直等待A发送消息，造成通信死锁的情况。
  为了解决这样的问题，TCP给每一个连接都设置了一个持续计时器，并且规定，即使接收窗口值为0，也必须接受零窗口探测报文段，确认报文段以及携带有紧急数据的报文段：

二、TCP拥塞控制

  网络拥塞问题是指网络中传输的数据过多，超过了网络设备（如路由器、交换机）或链路的处理能力，导致网络性能下降的现象。就像高峰期的马路：

• 如果车（数据包）太多，马路（网络）就会堵；
• 堵车后，不仅原来开的慢，新车也进不来；
• 严重时还可能发生车辆回退（丢包）、绕路（重传）甚至“交通瘫痪”（网络崩溃）。

  如果不加以控制，导致的就是整个网络的崩溃，类似于微服务的雪崩。

  拥塞控制的基本方法，分为开环控制和闭环控制：

• 开环控制侧重于从设计的角度避免出现拥塞的问题，前提是要提前知道进行控制的网络的参数和流量。
• 闭环控制侧重于从运行时的角度避免拥塞的问题，即对于网络进行监控，及时接受反馈并且调整。

  闭环控制，又可以分为显式控制算法和隐式控制算法：

• 显式控制算法指的是，路由器向源点反馈网络的拥塞状态，即路由器拥塞，丢弃IP数据报，并且通知源站，通知同样需要利用网络通信，通知的行为，可能会造成网络更加拥堵。可以在路由器的转发分组中，保留一个字段，该字段的值表示网络的拥塞状态。
• 隐式控制算法指的是，源站点自己对网络的指标进行观察，判断网络是否发生拥塞。TCP使用的就是隐式控制算法。

2.1、拥塞控制的指标

  对于发送方而言，指标有发送窗口swnd（s:send），拥塞窗口cwnd（c:crowded），对于接收方而言，指标有接收窗口rwnd（r:reveive）
  只有序号落入swnd的数据，发送方才可以进行发送，swnd的取值，是cwnd和rwnd的最小值。
  rwnd用于控制流量，cwnd用于控制拥塞

2.2、慢开始算法和拥塞避免算法

  慢开始算法和拥塞避免算法，通常配合使用，这里加入了一个ssthresh慢开始门限的指标：

  使用慢开始算法和拥塞避免算法组合时，首先运用的是慢开始算法，将cwnd进行逐次指数累加，直到到达ssthresh的值：

  然后改用拥塞避免算法，每个轮次cwnd的值只能 + 1，而不像慢开始算法，可以指数增长，当发生了重传和报文段丢失的情况，说明网络中出现了拥塞，就需要调整拥塞窗口cwnd和ssthresh的值，然后重新执行慢开始算法。

1. ssthresh的值调整为发生拥塞时，拥塞窗口cwnd值的一半。
2. cwnd的值重置为1。

  最终的曲线如下：

2.3、快重传算法和快恢复算法

  快重传算法和快恢复算法是对于慢开始算法和拥塞避免算法的改进。因为后者可能会存在一个问题，也就是如果路由器是因为请求出现了误码，才将其丢弃**（非网络出现拥塞）**，源站是无法判断这种情况的，会将cwnd的值重置为1重新开始，降低了效率。
  快重传算法的目的是让发送方尽快知道TCP报文段的丢失，从而尽快地进行重新传输，就要求接收方在收到消息后，立刻进行ack。

  如下图，如果TCP没有接收到3号报文段，就会在后续报文段到达时，**发送对未收到报文段的重复确认。**当发送方接收到3次重复确认后，就对丢失的报文进行立刻重传（接收方在接收到M4后，发现M3并没有接收到，于是重复确认M2，重复确认M2到达3次后，发送方立刻重传M2）

  当发送方接收到3次重复确认后，同时也会执行快恢复算法 + 拥塞避免算法：

1. ssthresh的值调整为cwnd值的一半。
2. cwnd的值调整为cwnd值的一半。

  最终的曲线如下图：

2.4、练习

  这道题的答案是C。拥塞窗口为16KB时发生了超时，那么此时的指标：

• ssthresh：16/2 = 8
• cwnd：1

  然后重新使用慢开始算法：

RTT	cwnd
1	2
2	4
3	8（到达了ssthresh，转换为拥塞避免算法）
4	8 + 1 = 9

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  这道题的答案是A。同样地，拥塞窗口为8KB时发生了超时，那么此时的指标：

• ssthresh：8/2 = 4
• cwnd：1

  然后重新使用慢开始算法：

RTT	cwnd
1	2
2	4（到达了ssthresh，转换为拥塞避免算法）
3	5
4	6
5	7
…	…
10	12

  这一题比上一题多了一个考察点，发送窗口swnd 是 rwnd 和 cwnd 的较小值。 min（12,10）= 10。

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  这道题的答案选A：

三、TCP拥塞控制与网际层拥塞控制

  与运输层TCP拥塞控制相关的，是网际层路由器对于IP数据报的丢弃策略。由于路由器的缓存队列是标准的“先进先出”的结构，队列已满，则会丢弃最后的元素。
  当多个发送行为触发尾部丢弃时，这些发送方都会进入慢开始状态，称为全局同步，会导致同一时刻网络流量的骤降，以及之后的持续增高。
  为了避免这样的问题，提出了主动队列管理的概念，其核心思想在于避免出现路由器缓存队列已满的情况，当队列长度达到某个阈值时，就触发丢弃策略：

总结