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TCP中的拥塞控制是什么？

TCP/IP
2022-11-22
1508
更新：2022-11-23 14:22:45

### 1. 概述

由于链路上的流量过载超出其容量，网络系统通常会面临拥塞。它会导致网络中的数据包丢失，从而严重损害用户体验。虽然不可能完全避免拥塞，但存在主动管理拥塞以防止破坏性影响的机制。

拥塞控制协议必须具有以下特性：

◼ 它必须**避免拥塞**。作为该算法的主要目标，它必须确保分配给特定主机的带宽不超过瓶颈链路的带宽，瓶颈链路可能导致网络拥塞。

◼ 它应该是**公平的**。网络资源应该在不同主机之间公平分配。

◼ 该方案必须是**有效的**。因此，它应该确保发送方有效地利用带宽。它既不应该太低于瓶颈链路的带宽，也不应该完全耗尽带宽。

在我们理解 TCP 是如何实现拥塞控制之前，需要清楚地理解两个概念：

### 1.1 拥塞窗口大小

发送方知道，发送的字节不应超过拥塞窗口大小。如果发送速率超过拥塞窗口大小，则数据包丢失并且发送方被迫重新传输它们。

### 1.2 接收窗口大小

它是来自接收方的关于在丢弃数据包之前可以接收的字节数的通告。因此，发送方必须始终发送小于或等于接收方窗口大小的字节，以避免重传数据包。

因此，发送方窗口大小的公式为：

```
Sender window size = Min(Congestion window size, Receiver window size)
```

### 2. TCP中的拥塞控制

TCP CC拥塞控制地图：

TCP 的拥塞控制机制包括三个阶段：

#### 2.1 慢启动

发送方首先将拥塞窗口设置为等于最大段大小 (1 MSS)，并在收到每个确认后将其大小增加1。拥塞窗口的大小因此在此阶段呈指数增长，如下所示：

<center>拥塞窗口大小在慢启动阶段呈指数增长
</center>

该图显示了拥塞窗口大小在慢启动阶段如何呈指数变化。慢启动阶段一直持续到达到**慢启动阈值**，定义如下：

◼ 慢启动阈值 (SSH) =（接收方窗口大小/最大段大小）/ 2

#### 2.2 拥塞避免阶段

一旦达到慢启动阈值，这个阶段就会开始，并一直持续到拥塞窗口变得等于接收窗口大小。在此阶段，发送方在收到确认后谨慎地将拥塞窗口增加1以避免拥塞。拥塞窗口递增如下：

◼ 拥塞窗口大小 = 拥塞窗口大小 + 1

到目前为止的传输过程如下图所示：

<center>数据传输直到达到接收窗口大小
</center>

#### 2.3 拥塞检测阶段

在最后一个阶段，TCP 在检测到数据包丢失时立即采取行动。它的反应基于下面给出的两种类型的拥塞：

##### 2.3.1 轻度拥堵

当发送方从接收方收到三个重复的确认 (ACK) 时，拥塞是轻微的。它表示只有少数数据包被丢弃的可能性，这可以通过收到的 ACK 感知到。发生这种情况时，会发生以下情况：

◼ 拥塞窗口减半。

◼ 慢启动阈值被设置为这个新的拥塞窗口值。

◼ 发送方继续拥塞避免阶段，直到检测到丢包。

##### 2.3.2 严重拥堵

这种情况发生在发送方的重传定时器超时时。发生这种情况时，会发生以下情况：

◼ 慢启动阶段开始，直到重传定时器超时后检测到第一次丢包。

◼ 发送方设置慢启动阈值设置为当前拥塞窗口大小减半。

◼ 发送方将拥塞窗口大小减小到 1 MSS。

◼ 重新开始慢启动阶段，直到拥塞窗口达到慢启动阈值。

◼ 然后发送方进入拥塞避免阶段，直到通过重传定时器超时检测到丢包。

### 3. 总结
TCP 被称为可靠的、面向连接的协议，基本上是因为它在发送数据之前和之后将数据保存在其缓冲区中，它确保数据按顺序传递并且接收方发送有关接收数据的确认（ack）。否则数据将被重新传输有不同的方法来重新发送数据。

**关于 TCP 拥塞机制：**

> 1、其创建的目的是（设备的）小缓冲区会溢出，数据包丢失会触发TCP机制，相应地TCP 会做出反应。一切都很好，但随着缓冲区变大，这可能会引起一些问题，因为它们需要时间才能溢出，这会造成延迟。
>
> 2、对于非常小的缓冲区，也有问题，如果有突发的数据包并且由于小缓冲区，其中一个/一些可能会丢失，TCP 可以将它们视为拥塞——之后它将减少其拥塞窗口，作为结果链接将无法完全填充/满。
>
> 3、链路抖动——这在园区网络中很常见——链路抖动可以诱使 TCP 认为网络中存在极度拥塞，因此它应该进行指数重传

**为了避免很多不好的事情发生，当前有这样的一些机制：**

◼ 滑动窗口——根据成功接收到的流量改变窗口大小
◼ stop and wait——每个ACK一帧，基本上可以发送N个大小的数据，直到下一个ACK
◼ cumulative acks——如果我确认数据包 3，这意味着我也承认我在这个数据包之前收到了 2 个数据包。
◼ 回到 N/Go back N——如果单个数据包丢失，我们将重新传输所有段（当出现突发丢包时很好），当发送方窗口大于接收方时，协议将使用Go back N。
◼ 选择性重传——我们将重新传输该数据包，并且只传输丢失的数据包
◼ 确保我们不会提前重新传输非常重要。

**主要是TCP是基于端到端主机的拥塞控制机制。**

◼ 它对终端主机可观察到的事件做出反应
◼ 使用TCP的滑动窗口和流量控制
◼ 试图找出当时网络中有多少数据包可以安全地发送出去。

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