计算机网络：运输层 —— TCP 的拥塞控制

文章目录

• • TCP的拥塞控制
  • • 拥塞控制的基本方法
    • • 流量控制与拥塞控制的区别
      • 拥塞控制分类
      • • 闭环拥塞控制算法
    • TCP的四种拥塞控制方法（算法）
    • • 窗口
      • 慢开始门限
      • 慢开始算法
      • 拥塞避免算法
      • 快重传算法
      • 快恢复算法
    • TCP拥塞控制的流程
    • TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系

TCP的拥塞控制

计算机网络中的链路容量(带宽)、交换节点中的缓存和处理机等都是网络的资源。

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏 ，这种情况就叫作拥塞(congestion)。若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

拥塞控制是 TCP 为了避免网络出现过载（拥塞）情况而采取的一种机制。在网络通信中，当发送的数据量超过网络的承载能力时，就会出现拥塞，导致数据包丢失、延迟增加等问题。

TCP 的拥塞控制 机制通过动态地调整发送方的发送速率，使网络中的数据流量保持在一个合理的水平，以提高网络资源的利用率和数据传输的效率，同时保证数据传输的可靠性。

慢启动和拥塞避免：

• 在TCP建立连接之后，发送方会采用慢启动算法逐渐增加发送窗口的大小，以便测试网络的拥塞程度。

• 如果网络出现拥塞，发送方会以指数增长的速度减小发送窗口的大小，从而减少发送速度，以避免网络拥塞的进一步加剧。

拥塞控制：

• TCP使用拥塞控制算法来检测网络拥塞并相应地减少发送速度。

• 当网络出现拥塞时，发送方会采用拥塞避免算法，逐渐减小发送窗口的大小，以降低发送速度。

• 通过监测丢包和延迟，发送方可以判断网络的拥塞情况并相应地调整发送速度。

衡量网络拥塞的指标包括：

• 由于缓存溢出而丢弃的分组的百分比
• 路由器的平均队列长度
• 超时重传的分组数量
• 平均分组时延和分组时延的标准差
• ......

上述指标的上升，都标志着拥塞程度的增大

拥塞控制的基本方法

进行拥塞控制是需要付出代价的。可能需要在节点之间交换信息和各种命令 ，以便选择拥塞控制的策略并实施控制，这样会产生额外开销。还可能需要预留一些资源用于特殊用户或特殊情况，这样就降低了网络资源的共享程度。

然而，为了确保网络性能的稳定，不会因为输入负载的增长而导致网络性能的恶化甚至出现崩溃，使用拥塞控制而付出一定的代价是值得的。

流量控制与拥塞控制的区别

• 流量控制 的主要任务是：解决因发送方发送数据太快而导致接收方来不及接收，造成接收方的接收缓存溢出的问题。

• 拥塞控制 的主要任务是：防止过多的数据注入到网络中，使网络能够承受现有的网络负荷。

拥塞控制分类

拥塞控制分为开环控制 和闭环控制

• 当网络的流量特征可以准确规定 且性能要求可以事先获得 时，适合使用开环控制。

• 当网络的流量特征不能准确描述 或者当网络不提供资源预留 时，适合使用闭环控制。因特网采用的就是闭环控制方法。

闭环拥塞控制算法

根据拥塞信息的反馈形式，可将闭环拥塞控制算法分为显式反馈算法 和隐式反馈算法。

• 显式反馈算法 ：从拥塞节点（即路由器）向源点提供关于网络中拥塞状态的显式反馈信息。

• 隐式反馈算法 ：源点自身 通过对网络行为的观察（例如超时重传或往返时间 RTT）来推断网络是否发生了拥塞。TCP 采用的就是隐式反馈算法。

TCP的四种拥塞控制方法（算法）

TCP的四种拥塞控制方法分别为：

• 慢开始 (slow-start)
• 拥塞避免 (congestion avoidance)
• 快重传 (fast retransmit)
• 快恢复 (fast recovery)

为了集中精力讨论用塞控制算法的基本原理，假定如下条件：

• 数据是单方向传送的，而另一个方向只传送确认。

• 接收方总是有足够大的接收缓存空间，因而发送方的发送窗口的大小仅由网络的拥塞程度来决定，也就是不考虑接收方对发送方的流量控制。

• 以TCP 最大报文段 MSS（即 TCP 报文段的数据载荷部分）的个数 作为讨论问题的单位，而不是以字节为单位（尽管TCP是面向字节流的）。

窗口

TCP 发送方要维护一个叫作发送窗口 的状态变量 swnd，还要维护一个叫作拥塞窗口 的状态变量 cwnd

TCP 接收方要维护一个叫作接收窗口 的状态变量 rwnd。

发送窗口 swnd 的取值为 s w n d = m i n ( c w n d ， r w n d ) swnd=_{min}{(cwnd，rwnd)} swnd=min(cwnd，rwnd)，发送方可将序号落入发送窗口 swnd 的数据连续发送出去。

• 拥塞窗口 cwnd：取决于网络的拥塞程度和发送方所采用的 TCP 拥塞控制算法

• 接收窗口 rwnd：取决于接收方可用的接收缓存的大小

• cwnd 的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些。

• 判断网络出现拥塞的依据 ：没有按时收到应当到达的TCP确认报文段而产生了超时重传。

慢开始门限

发送方还需要维护一个叫作慢开始门限 的状态变量 ssthresh：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法。

• 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。

• 当 cwnd = ssthresh 时，既可使用慢开始 算法，也可使用拥塞避免算法。

慢开始算法

在 TCP 双方建立连接时，拥塞窗口 cwnd 的初始值被设置为 1（初始为 1 个最大报文段长度 MSS），这是因为主机刚开始发送数据时，完全不知道网络的拥塞情况，如果立即把大量的数据都注入网络中，就有可能引起网络拥塞。

较好的方法是由小到大逐渐增大发送方的拥塞窗口 cwnd 的数值，直到发生拥塞 。发送方每收到一个对新发送报文段的确认（ACK），就会将拥塞窗口大小增加 1 个 MSS，即拥塞窗口呈指数增长。

本例情况不考虑 TCP 流量控制的情况，假设慢开始门限 ssthresh 为 16。

拥塞避免算法

当发送方当前拥塞窗口 cwnd 的值，已经增大到了慢开始门限 ssthresh 的值 ，因此要改用拥塞避免算法 ，也就是每个传输轮次结束后，cwnd的值只能线性加 1。

发送过程中部分报文段发生了丢失，重传计时器超时，拥塞发送方以此判断网络可能出现了拥塞，需要调整自己的拥塞窗口 cwnd 的值和慢开始门限 ssthresh 的值。

将慢开始门限 ssthresh 的值调整为拥塞开始时拥塞窗口 cwnd 的值的一半 ，将拥塞窗口 cwnd 的值减小为 1 ，并重新开始执行慢开始算法 。当拥塞窗口 cwnd 的值，增大到了慢开始门限 ssthresh 的值，又重新改用拥塞避免算法。

绘制出本例的拥塞窗口 cwnd 的值随传输轮次 RTT 的变化关系图：

• "慢开始 "是指一开始向网络注入的报文段少 ，而并不是指拥塞窗口 cwnd 的值增长速度慢。

• "拥塞避免 "也并非指完全能够避免拥塞，而是指在拥塞避免阶段将cwnd值控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

快重传算法

有时，个别 TCP 报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞，这将导致发送方超时重传，并误认为网络中发生了拥塞。

采用快重传算法 可以让发送方尽早知道发生个别TCP报文段的丢失

"快重传"是指使发送方尽快 （尽早）进行重传，而不是等重传计时器超时再重传，这就要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认 ，而是要立即发送确认 ，即使收到了失序的报文段 也要立即发出 对已收到的报文段的重复确认。

a c k n ack_n ackn 表明序号到 n 为止的数据已正确接收 ，现在期望收到序号为 n+1 的数据。

发送方 一旦收到3个连续的重复确认 ，就将相应的报文段立即重传，而不是等该报文段的重传计时器超时再重传。

对于个别丢失的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误认为出现了拥塞而错误地把拥塞窗口 cwnd 的值减为1。实践证明，使用快重传可以使整个网络的吞吐量提高约20%。

快恢复算法

与快重传算法配合使用的是快恢复算法 ，发送方一旦收到 3 个重复确认，就知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始算法，而是执行快恢复算法。

发送方将慢开始门限 ssthresh 的值和拥塞窗口 cwnd 的值，都调整为当前 cwnd 值的一半 ，并开始执行拥塞避免算法。

也有的快恢复实现是把快恢复开始时的 cwnd 值再增大一些，即 cwnd = 新ssthresh + 3：

• 既然发送方收到了 3 个重复的确认，就表明有 3 个数据报文段已经离开了网络。

• 这 3 个报文段不再消耗网络资源，而是停留在接收方的接收缓存中。

• 可见现在网络中不是堆积了报文段而是减少了 3 个报文段，因此可以适当把 cwnd 值增大一些。

本例的拥塞窗口 cwnd 的值随传输轮次 RTT 的变化关系图：

TCP拥塞控制的流程

TCP 拥塞控制仍然是计算机网络中的一个研究热点，TCP 拥塞控制算法也还在不断地发展和变化。

TCP拥塞控制与网际层拥塞控制的关系

路由器的输入缓存（可看作缓存队列，以下简称为队列）通常都按照先进先出 FIFO 的规则来处理到达的IP数据报。由于队列长度总是有限的，因此当队列已满时，之后再到达的所有IP数据报都将被丢弃 ，这就叫作 尾部丢弃策略。

为了避免网络中出现全局同步问题，在1998年提出了主动队列管理 （Active Queue Management，AQM ）所谓"主动"，就是在路由器的队列长度达到某个阈值但还未满时就主动丢弃IP数据报，而不是要等到路由器的队列已满时才不得不丢弃后面到达的IP数据报，这样就太被动了。

应当在路由器队列长度达到某个值得警惕的数值 时，也就是网络出现了某些拥塞征兆时 ，就主动丢弃到达的IP数据报来造成发送方的超时重传 ，进而降低发送方的发送速率，因而有可能减轻网络的拥塞程度甚至不出现网络拥塞。

主动队列管理 AQM 可以有不同的实现方法，其中曾流行多年的就是随机早期检测 （Random Early Detection，RED ），也称为随机早期丢奔(Random Early Drop，RED或 Random Early Discard，RED)。

路由器需要维护两个参数来实现RED：队列长度最小门限和最大门限。当每一个IP数据报到达路由器时，RED就按照规定的算法计算出当前的平均队列长度。

• 若平均队列长度小于最小门限 ，则把新到达的IP数据报存入队列进行排队。

• 若平均队列长度大于最大门限 ，则把新到达的IP数据报丢弃，

• 若平均队列长度在最小门限和最大门限之间，则按照某一丢弃概率p把新到达的IP数据报丢弃(这体现了丢弃IP数据报的随机性)

但使用 RED 机制效果并不理想，已被列为废弃。