中科大计网学习记录笔记（十七）：拥塞控制原理

前言：

学习视频：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程

该视频是B站非常著名的计网学习视频，但相信很多朋友和我一样在听完前面的部分发现信息量过大，有太多无法理解的地方，在我第一次点开的时候也有相同的感受，但经过了一段时间项目的学习，对计网有了更多的了解，所以我准备在这次学习的时候做一些记录并且加入一些我的理解，希望能够帮助到大家。

往期笔记可以看专栏中的内容😊😊😊

文章目录

[3.6 拥塞控制原理](#3.6 拥塞控制原理)

[3.6.1 什么是拥塞？](#3.6.1 什么是拥塞？)

[3.6.2 拥塞的原因 / 代价](#3.6.2 拥塞的原因 / 代价)

[<1> 场景 1：理想情况 - 无限缓冲区](#<1> 场景 1：理想情况 - 无限缓冲区)

[<2> 场景二 - 有限缓冲区](#<2> 场景二 - 有限缓冲区)

[<3> 场景三 - 网络死锁的情况](#<3> 场景三 - 网络死锁的情况)

[3.6.3 两种拥塞控制的方法](#3.6.3 两种拥塞控制的方法)

[3.6.4 案例 - ATM ABR 拥塞控制](#3.6.4 案例 - ATM ABR 拥塞控制)

[3.7 TCP 拥塞控制](#3.7 TCP 拥塞控制)

[3.7.1 拥塞控制要解决的几个问题](#3.7.1 拥塞控制要解决的几个问题)

[3.7.2 拥塞感知](#3.7.2 拥塞感知)

[3.7.3 速率控制方法](#3.7.3 速率控制方法)

[3.7.4 TCP 拥塞控制](#3.7.4 TCP 拥塞控制)

[3.7.5 总结：TCP 拥塞控制](#3.7.5 总结：TCP 拥塞控制)

[3.7.6 TCP 的公平性](#3.7.6 TCP 的公平性)

3.6 拥塞控制原理

3.6.1 什么是拥塞？

💡 当 网络中的流量 超过了网络资源的处理能力时，就会发生拥塞，导致数据包丢失、延迟增加和带宽利用率下降。

拥塞是指网络中出现了过多的数据流量，导致网络设备（如路由器、交换机）无法及时处理所有传入的数据包，进而 导致缓冲队列溢出，丢包等问题。

3.6.2 拥塞的原因 / 代价

<1> 场景 1：理想情况 - 无限缓冲区

👉 这里探讨的是理论化的情况

💡 假设有两个发送端和两个接收端，有一个路由器，其输出缓冲区无限大，也就是不会存在丢失的情况，输出链路的带宽为 R，且不考虑输入时处理的情况。

💡 且在 TCP 的情况下会 尽可能的让 每个连接分到的带宽相同，所以这里假设这两个连接平分带宽；也就是每个连接能够达到的最大带宽为 R / 2。

💡 且发送方 不会重传。

有了这些先决条件，来看看连接的吞吐量和延迟：

💡 吞吐量（Throughput）是指在单位时间内通过网络或系统的数据量或信息量。

当进入的速率总和达到 R 的时候，排队延迟会趋向无穷大，因为带宽是理论上可达到的最大速率，但实际是不可能实现的，所以队列会一直累计，但因为队列是无线大的，分组并不会丢失且发送方不会重传，所以有效的泵出和输入是相等的。

<2> 场景二 - 有限缓冲区

👉 这里讨论的是偏向于现实的情况

💡 缓冲区不是无限的，分组会丢失

💡 发送方会因为超时而重发分组

当泵入的数据量不断的增大，由于延迟的增大会触发重传机制，这就导致有效的泵入逐渐减少，会包含很多重发的泵入，这也就导致了有效泵出的减少。

最终呈现出来的图像是这样的：

这也就导致了发送方需要大量的重发才能保证有效的泵入。比如说为了达到 1.0 的泵出量，有可能需要 1.2 的泵入量，如果不加以控制的话会导致重发越来越多，拥塞的程度也越来越大，是一个 正反馈的情况。

<3> 场景三 - 网络死锁的情况

💡 四个发送端且存在超时重传机制

💡 多重路径

当红色的泵入增加的时候，蓝色的泵入在最上方的路由中被抛弃了，因为它到该路由多一跳，到达的更慢；同理，其他的各个路由器都会由于这种情况而形成阻塞。最终导致网络的整体泵出量为 0，达到一个死锁的情况。

3.6.3 两种拥塞控制的方法

🍀 端到端的拥塞控制：没有来自网络的直接显示其拥塞状况的信息，系统根据延迟和丢失的时间来判断网络的拥塞程度，比如 TCP 的快速重发，当 TCP 收到三个冗余 ACK 的时候就说明分组可能丢失了，这时候就可以降低发送速率，这也是 TCP 采用的拥塞控制方法。

🍀 网络辅助的拥塞控制：即发送端可以接收到网络关于其拥塞程度的反馈，这样做拥塞控制就会简单很多，比如下面提到的 ATM 网络。

3.6.4 案例 - ATM ABR 拥塞控制

💡 ATM（Asynchronous Transfer Mode）异步传输模式，不是取款机（大悲）

💡 ABR（Available Bit Rate），可用比特率，是一种ATM（异步传输模式）网络中的一种拥塞控制服务类型。这种服务会根据网络的拥塞程度动态调整数据传输速率，以确保网络中的可用带宽得到最佳利用，同时避免网络拥塞和数据丢失。

在这种网络结构上传输的数据称为信元，信元中有一种特殊的信源为 RM（资源管理）信元，其由发送端发送，在数据信元中间隔插入。

当经过交换机时，交换机会根据自己目前的状况来调整资源管理信元的信息

NI bit：no increase in rate 轻微拥塞的时候请求速率不要再增加
CI bit：congestion indication 拥塞指示，表示该路由器出现拥塞，应该减小到最小速率。

接收端接收到数据信元后将 RM 信元直接返回 不做任何改变；接收端收到后就可以知道这条通路中的拥塞情况。

3.7 TCP 拥塞控制

3.7.1 拥塞控制要解决的几个问题

🍀 端到端的拥塞控制机制：路由器不会向端主机提供拥塞的相关信息

这样的好处是会降低路由器的负担，符合是网络核心简单的 TCP/IP 架构原则
端系统根据自己得到的信息来判断是否发生拥塞从而采取动作

❓ 拥塞控制需要解决的问题

如何检测是否出现拥塞和拥塞的程度如何？
在拥塞的时候发送应该采取什么策略来降低？
在拥塞缓解的时候如何增加速率来保证信息交换的速度？

3.7.2 拥塞感知

💡 既然路由器不提供拥塞情况，那发送端如何得知是否产生拥塞呢？

🍀 当某个段超时的时候，说明网络在传输过程中丢失了

原因一：由于路由器队列已满，出现丢弃的情况
原因二：传输过程中出现了乱序的情况，导致信息没有通过校验而被丢失
由于第二种情况相较于第一种情况出现频率低很多，所以对拥塞控制产生的影响不大

🍀 当出现三个冗余的 ACK 的时候，也可以说明分组被丢失

3.7.3 速率控制方法

💡 拥塞窗口（Congestion Window，简称CongWin）是TCP拥塞控制算法中的一个重要概念，用于控制发送方发送数据的速率，以便避免网络拥塞和提高网络性能。

👉 拥塞窗口的大小是由 TCP 拥塞控制算法动态调整的。

👉 超时的时候拥塞窗口变为 1MSS，进入 SS 阶段，然后倍增到拥塞窗口的一半后进入 CA 阶段

当收到三个冗余的 ACK，拥塞窗口变为一半再次进入 CA 阶段

👉 当正常收到 ACK 没有发生以上两种情况的时候

SS 阶段（Slow Start，慢启动阶段）：每个往返延迟（RTT）成倍增加发送报文量
CA 阶段（Congestion Avoidance，拥塞避免阶段）：每个 RTT 只会增加一个单位

💡 在这里有一个基本的概念即可，后面会详细讲述 TCP 拥塞控制的整个流程。

💡 TCP 流量控制和拥塞控制是一个 联合的动作，即发送时要同时满足这两个的要求

3.7.4 TCP 拥塞控制

🍀 慢启动（Slow Start）阶段：

当连接建立或者网络从拥塞中恢复时，拥塞窗口被初始化为一个较小的值，通常为一个 MSS。
在慢启动阶段，发送方逐渐增加拥塞窗口的大小。每当收到一个确认 ACK 时，拥塞窗口大小就会加倍，这样拥塞窗口呈指数增长。

💡 这样做的目的是快速探测网络的可用带宽，以便尽快利用网络资源。

🍀 拥塞避免阶段：

当拥塞窗口大小大于阈值的时候，就会进入拥塞避免的阶段，此时每一个 RTT 拥塞窗口加 1，而不是像慢启动一样成倍的增加的增加
拥塞避免阶段就是在临界值上进行试探直到出现了冗余 ACK 或者丢失的情况

🍀 快速重传和超时重传：

当出现快速重传的时可以推断出网络出现了轻微的拥塞，此时将拥塞窗口减半，继续进行 CA 阶段
如果出现超时则说明拥塞情况较差，此时将阈值设定为发生拥塞时窗口值的一半，同时拥塞窗口被设定为 1 MSS，进行 SS 阶段。
如上图中的红色部分就代表了发生超时进行慢启动，其余部分均为冗余 ACK 导致的拥塞窗口减半。

💡 在这个流程中影响的因素主要是阈值和超时以及冗余 ACK，搞清楚对于这三种情况如何处理即可梳理好整个流程：

阈值是慢启动和拥塞避免的分水岭

超时会导致从慢启动开始且会导致阈值的调整

冗余 ACK 会导致拥塞窗口的减少

💡 由于慢启动在整个流程中所占的时间较短，所以整体是呈现锯齿状的，即由于冗余 ACK 的作用导致的拥塞窗口减半。

3.7.5 总结：TCP 拥塞控制

💡 名词解释：

CongWin：Congestion Window，拥塞窗口

Threshold：阈值

🍀 当 CongWin < CongWin ，发送端处于 慢启动 阶段，窗口指数增长

🍀 当 CongWin > CongWin，发送端处于 拥塞避免 阶段，窗口线性增长

🍀 当收到三个重复 ACK的时候，Threshold 设置成 CongWin / 2，CongWin = Threshold + 3

🍀 当超时时间发生的时候，Threshold = CongWin / 2，CongWin = 1 MSS，进入 SS 阶段

💡 补充：TCP 的吞吐量：TCP 的平均吞吐量可以用窗口尺寸和 RTT 来近似的描述

假设发生丢失的时候窗口尺寸是固定的

平均窗口尺寸 = 1 / 2 W + W = 3 / 4 W 平均窗口尺寸 = 1 / 2 W + W = 3 / 4 W 平均窗口尺寸=1/2W+W=3/4W

吞吐量等于上述值除以 RTT

3.7.6 TCP 的公平性

💡 公平性目标：如果 K 个 TCP 绘画共享一个链路带宽为 R 的瓶颈，每个会话分到的有效带宽均为 R / K。

TCP 通过其拥塞控制可以实现相对的公平性

上图中紫色的线代表带宽，即链接一所占的带宽加上链接二所占的带宽等于总带宽，也即出现拥塞的时候。

左下角的红色线很明显可以看出来当到达拥塞的时候 链接一 所占有的资源多
因为拥塞窗口为对半减少，这样就代表 占有资源多的一方减半时候损失的也就越多
这样会逐渐靠近虚线，也就是连接一所占的带宽等于连接二所占的带宽的情况，这样就达到了公平性

中科大计网学习记录笔记（十七）：拥塞控制原理 | TCP 拥塞控制

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