TCP（五）TCP的拥塞控制_超时重传后ssthresh 如何变化

转载自：小林coding 公众号中的图解网络书籍，写的很详细，总结一部分记录下。

TCP的拥塞控制

为什么要拥塞控制？

为什么要有拥塞控制呀，不是有流量控制了吗？

前面的流量控制是避免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。

一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、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断地放大…

所以，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量。

于是，就有了拥塞控制，控制的目的就是避免「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？

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化的。

我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系，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 变化的规则：

• 只要网络中没有出现拥塞， cwnd 就会增大；
• 但网络中出现了拥塞， cwnd 就减少；

那么怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢？

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，就会认为网络出现了拥塞。

拥塞控制主要是四个算法：

• 慢启动

• 拥塞避免

• 拥塞发生

• 快速恢复

慢启动

TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程，这个慢启动的意思就是一点一点的提高发送数据包的量，如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？

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 的大小就会加 1。

这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等，下面举个例子：

• 连接建立完成后，一开始初始化 cwnd = 1 ，表示可以传一个 MSS 大小的数据；
• 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，所以这一次能够发送 4 个；
• 当这 4 个的 ACK 确认到来的时候，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，所以这一次能够发送 8 个。

可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长。

那慢启动涨到什么时候是个头呢？

有一个叫慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）状态变量。

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法。
• 当 cwnd >= ssthresh 时，就会使用拥塞避免算法。

拥塞避免

前面说道，当拥塞窗口 cwnd 超过慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞避免算法。一般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节。

那么进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd。

接上前面的慢启动的例子，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 大小的数据，变成了线性增长。

所以，我们可以发现，拥塞避免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，但是增长速度缓慢了一些。就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需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

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

这两种使用的拥塞发送算法是不同的，接下来分别来说说。

超时重传

当发生了超时重传，则就会使用拥塞发生算法。

这个时候，ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化：ssthresh 设为 cwnd/2 ，cwnd 重置为 1。

接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的。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。

快速重传

还有更好的方式，前面我们讲过快速重传。当接收方发现丢了一个中间包的时候，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 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的一半，ssthresh = cwnd ;

然后进入快速恢复算法。

快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用，快速恢复算法是认为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。

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 ，ssthresh = cwnd ;

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，原因是该 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，也即再次进入拥塞避免状态。

也就是没有像「超时重传」一夜回到解放前，而是还在比较高的值，后续呈线性增长。

拥塞算法示意图

以上就是拥塞控制的全部内容了，看完后，你再来看下面这张图片，每个过程我相信你都能明白：