TCP的拥塞控制

TCP（传输控制协议）是互联网中保证数据可靠传输的核心协议，而拥塞控制是 TCP 的 “智能交通管理系统”—— 当网络出现拥堵时，它能避免数据 “堵车”，防止网络瘫痪。

一、为什么需要拥塞控制？（通俗理解）

想象你开车从 A 到 B，路上车太多就会堵车。网络中，“车” 就是数据，“道路” 就是网线 / 无线信号。如果发送方不管不顾地发数据，网络设备（路由器、交换机）的缓冲区会被塞满，导致数据丢失、延迟飙升，就像高速路彻底堵死。

拥塞控制的作用：让发送方根据网络 “路况” 动态调整发送速度，既不浪费带宽，又不造成拥堵。

二、拥塞控制的核心原理

TCP 通过拥塞窗口（cwnd） 控制发送速度：

• 拥塞窗口是发送方在未收到确认前，最多能发送的数据量（单位：字节或报文段）。
• 网络越通畅，cwnd 越大（发送越快）；网络拥堵时，cwnd 减小（发送变慢）。

发送方实际发送速度还受接收窗口（rwnd） 限制（接收方告诉发送方 “我还能接多少”），最终发送窗口取 cwnd 和 rwnd 的最小值。

三、拥塞控制的四个阶段

TCP（以经典的 Reno 版本为例）通过四个阶段动态调整 cwnd：

1. 慢启动（Slow Start）

   • 通俗：刚上高速，慢慢加速，测试路况。
   • 专业：初始 cwnd 很小（如 1~2 个报文段），每收到一个确认（ACK），cwnd 就翻倍（指数增长）。
   • 限制：当 cwnd 达到 “慢启动阈值（ssthresh）” 时，进入下一阶段。

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）

   • 通俗：接近限速，平稳行驶，不再猛加速。
   • 专业：cwnd 不再翻倍，而是每收到一轮 ACK（即一个往返时间 RTT）增加 1 个报文段（线性增长）。
   • 目的：避免因过快发送导致拥堵。

3. 拥塞发生（Congestion Detection）

   • 通俗：发现前方堵车（比如收到 “数据丢失” 的信号），立刻减速。
   • 专业：当检测到丢包（如超时未收到 ACK，或收到 3 个重复 ACK），触发拥塞处理：
     • 若因超时丢包：ssthresh 设为当前 cwnd 的一半，cwnd 重置为 1，重新进入慢启动。
     • 若收到 3 个重复 ACK（表示数据可能只是轻微拥堵，未完全丢失）：ssthresh 设为当前 cwnd 的一半，cwnd 设为 ssthresh，直接进入拥塞避免（快速恢复）。

4. 快速恢复（Fast Recovery）

   • 通俗：堵车缓解后，慢慢恢复速度，不用从零开始。
   • 专业：仅在收到 3 个重复 ACK 时触发，cwnd 从 ssthresh 开始线性增长，减少重新慢启动的时间浪费。

四、如何检测网络拥堵？

• 超时重传：发送方迟迟没收到 ACK，认为数据丢失（严重拥堵）。
• 重复 ACK：接收方收到乱序数据时，会重复发送已收到的最后一个报文段的 ACK，发送方收到 3 个重复 ACK 后，判断为轻微拥堵（数据可能只是延迟，未丢失）。

五、举个例子

假设初始 ssthresh=16，cwnd=1：

• 慢启动：cwnd 从 1→2→4→8→16（达到 ssthresh，进入拥塞避免）。
• 拥塞避免：cwnd 从 16→17→18→…（每 RTT+1）。
• 若此时检测到丢包：
  • ssthresh 设为当前 cwnd 的一半（如 18→9）。
  • 若为 3 个重复 ACK：cwnd=9，直接进入拥塞避免（9→10→11…）。
  • 若为超时：cwnd 重置为 1，重新慢启动（1→2→4→… 直到 9，再进入拥塞避免）。

六、为什么需要这么复杂？

网络状态是动态变化的（比如高峰期拥堵、闲时通畅），拥塞控制通过 “试探 - 调整 - 反馈” 的循环，在 “高效利用带宽” 和 “避免拥堵” 之间找平衡。没有它，网络可能频繁瘫痪，就像没有红绿灯和限速的马路会彻底堵死。