计算机网络-TCP的拥塞控制
内容泉源：小林coding本文是对小林coding的TPC拥塞控制的精简总结
为什么要有拥塞控制？
前面的流量控制是制止「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么
计算机网络都处在一个共享的情况，因此也有大概会由于其他主机之间的通讯使得网络拥堵
在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，大概会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不停地放大....
以是，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被筹划成一个无私的协议
当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量
拥塞控制的目的：制止「发送方」的数据填满整个网络
为了在「发送方」调节所要发送数据的量，定义了一个叫做「拥塞窗口」的概念
什么是拥塞窗口？和发送窗口有什么关系呢？
什么是拥塞窗口
拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个的状态变量
它会根据网络的拥塞程度动态变革的
我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约即是的关系，那么由于加入了拥塞窗口的概念后
此时发送窗口的值是 swnd = min (cwnd, rwnd)
也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值
拥塞窗口 cwnd 变革的规则
1.只要网络中没有出现拥塞，cwnd 就会增大
2.但网络中出现了拥塞，cwnd 就淘汰
怎么判断当前网络出现了拥塞
其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文
也就是发生了超时重传，就会以为网络出现了拥塞
拥塞控制有哪些控制算法
拥塞控制主要是四个算法：
[*]慢启动
[*]拥塞制止
[*]拥塞发生
[*]快速恢复
慢启动
慢启动是什么意思？
TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程
慢启动的意思：一点一点的提高发送数据包的数目
如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？
慢启动算法规则
慢启动的算法记住一个规则就行：
当发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 的巨细就会加 1
图解例子
这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等，下面举个栗子：
[*]连接建立完成后，一开始初始化 cwnd = 1，表示可以传一个 MSS 巨细的数据。
[*]当收到一个 ACK 确认应答后，cwnd 增加 1，于是一次能够发送 2 个。
[*]当收到 2 个的 ACK 确认应答后，cwnd 增加 2，于是就可以比之前多发 2 个，以是这一次能够发送 4 个。
[*]当这 4 个的 ACK 确认到来的时间，每个确认 cwnd 增加 1，4 个确认 cwnd 增加 4，于是就可以比之前多发 4 个，以是这一次能够发送 8 个。
慢启动算法的变革过程如下图：
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/507fab086086e127b1de8004039a93fa.png
可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长
慢启动门限（我们慢启动增长到啥时间停止？）
有一个叫慢启动门限 ssthresh（slow start threshold）状态变量。
[*]当 cwnd < ssthresh 时，利用慢启动算法。
[*]当 cwnd >= ssthresh 时，就会利用「拥塞制止算法」
拥塞制止算法
怎么进入进入拥塞制止算法
前面说道，当拥塞窗口 cwnd「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞制止算法
一样平常来说 ssthresh 的巨细是 65535 字节
拥塞制止算法规则
那么进入拥塞制止算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd
图解例子
接上前面的慢启动的栗子，现假定 ssthresh 为 8：
[*]当 8 个 ACK 应答确认到来时，每个确认增加 1/8，8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1，于是这一次能够发送 9 个 MSS 巨细的数据，变成了线性增长。
拥塞制止算法的变革过程如下图：
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/3921715969d8d8cc5627f39656a9e97c.png
以是，我们可以发现，拥塞制止算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度迟钝了一些
就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，于是就会出现丢包征象，这时就须要对丢失的数据包进行重传。
当触发了重传机制，也就进入了「拥塞发生算法」
拥塞发生算法
数据包重传的两种机制
当网络出现拥塞，也就是会发生数据包重传，重传机制主要有两种：
[*]超时重传
[*]快速重传
【超时重传】的拥塞发生算法规则
当发生了「超时重传」，则就会利用拥塞发生算法
这个时间，ssthresh 和 cwnd 的值会发生变革：
[*]ssthresh 设为 cwnd/2，
[*]cwnd 重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）
怎么查看系统的cwnd初始值
Linux 针对每一个 TCP 连接的 cwnd 初始化值是 10，也就是 10 个 MSS
我们可以用 ss -nli 命令查看每一个 TCP 连接的 cwnd 初始化值
如下图
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/fc025976ec4b7c50de660655e108ee03.png
图解
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/f254569367f132b618f6a70197fa21a5.png
接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然淘汰数据流的
这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿。
就似乎本来在秋名山高速漂移着，突然来个告急刹车，轮胎受得了吗。。。
【快速重传】的拥塞发生算法
另有更好的方式，前面我们讲过「快速重传算法」
当接收方发现丢了一个中间包的时间，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传。
TCP 以为这种情况不严重，由于大部门没丢，只丢了一小部门，则 ssthresh 和 cwnd 变革如下：
[*]cwnd = cwnd/2，也就是设置为原来的一半；
[*]ssthresh = cwnd；
[*]进入快速恢复算法
快速恢复
快速恢复算法规则
快速重传和快速恢复算法一样平常同时利用
快速恢复算法是以为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕
以是没有须要像 RTO 超时时那么强烈
正如前面所说，进入快速恢复之前，cwnd 和 ssthresh 已被更新了：
[*]cwnd = cwnd/2，也就是设置为原来的一半；
[*]ssthresh = cwnd；
快速恢复算法规则
然后，进入快速恢复算法如下：
[*]拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）；
[*]重传丢失的数据包；
[*]如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1；
[*]如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，缘故原由是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞制止状态；
图解
也就是没有像「超时重传」一夜回到解放前，而是还在比力高的值，后续呈线性增长
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/e98c67cf064aade7b25975c71c50f4c9.png
简单总结一下拥塞控制
为什么要有拥塞控制
流量控制是制止「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么
在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，大概会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不停地放大....
当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量
拥塞控制的目的：制止「发送方」的数据填满整个网络
什么是拥塞窗口
拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变革的
发送窗口 swnd
接收窗口 rwnd
这两个窗口是约即是的关系
发送窗口的值是拥塞窗口和接收窗口中的最小值， swnd = min (cwnd, rwnd)
拥塞窗口 cwnd 变革的规则
1.只要网络中没有出现拥塞，cwnd 就会增大
2.但网络中出现了拥塞，cwnd 就淘汰
怎么判断当前网络出现了拥塞
「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文
也就是发生了超时重传，就会以为网络出现了拥塞
拥塞控制有哪些算法
拥塞控制主要是四个算法：
[*]慢启动
[*]拥塞制止
[*]拥塞发生
[*]快速恢复
慢启动
什么是慢启动
CP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程
慢启动的意思：一点一点的提高发送数据包的数目
如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？
慢启动规则
发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 的巨细就会加 1
慢启动门限
慢启动门限 ：ssthresh（slow start threshold）状态变量
[*]当 cwnd < ssthresh 时（拥塞窗口小于慢启动门限时），利用慢启动算法
[*]当 cwnd >= ssthresh 时（拥塞窗口大于即是慢启动门限时），就会利用「拥塞制止算法」
拥塞制止
如何进入拥塞制止
当拥塞窗口 cwnd「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞制止算法
拥塞制止规则
每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd
拥塞制止算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度迟钝了一些
重传机制的拥塞发生规则
数据包的两种重传机制
[*]超时重传
[*]快速重传
【超时重传】的拥塞发生算法规则
「超时重传」会利用拥塞发生算法
ssthresh（慢启动门限） 和 cwnd（拥塞窗口） 的值会发生变革：
[*]慢启动门限=拥塞窗口/2
[*]拥塞窗口重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）
如何查看TPC连接的CWND初始化值
ss -nli 【快速重传】的拥塞发生算法规则
之前的「快速重传算法」
当接收方发现丢了一个中间包的时间，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传
TCP 以为这种情况不严重，由于大部门没丢，只丢了一小部门，则 ssthresh 和 cwnd 变革如下：
[*]拥塞窗口变为原来的一半；
[*]慢启动门限=拥塞窗口；
[*]进入快速恢复算法
快速恢复
为什么须要快速恢复
慢启动是会突然淘汰数据流的
这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿
什么是快速恢复
快速重传和快速恢复算法一样平常同时利用
快速恢复算法是以为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕
以是没有须要像 RTO 超时时那么强烈
快速恢复算法规则
快速恢复的前提步骤：
ssthresh（慢启动门限） 和 cwnd（拥塞窗口） 的值会发生变革：
[*]ssthresh 慢启动门限=拥塞窗口/2
[*]cwmd 拥塞窗口重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）
快速恢复算法
[*]拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）；
[*]重传丢失的数据包；
[*]如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1；
[*]如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，缘故原由是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞制止状态；
图解总结
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/1a4e5c3e635ceebdcc23ea877d55e92b.png
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