TCP为什么可靠之“拥塞控制”

拥塞控制是对网络层面的控制，主要是为了避免发送方发送过多的数据导致网络阻塞，以及出现网络阻塞时能够调整数据发送速率，达到对网络阻塞的一个控制。

拥塞窗口

拥塞窗口cwnd，是发送方维护的一个状态变量，会根据网络的拥塞程度动态变化

发送窗口swnd和接收窗口rwdn是约等于的关系，有了拥塞窗口cwnd之后，发送窗口的值就等于min(cwnd,rwnd)，也就是拥塞窗口和接收窗口的最小值

拥塞窗口cwnd的变化规则：

• 只要网络中没有出现拥塞，cwnd就会增大

• 一旦网络出现拥塞，cwnd就会减小

只要发送方没有在超时时间内接收到ACK应答报文，触发了超时重传，就会认为网络出现了拥塞。

对于网络拥塞的控制，主要通过几个算法实现：

慢启动

在刚建立完TCP连接之后，会有一个慢启动的过程，而不是一上来直接发送大量的数据。

慢启动期间，【当发送方每收到一个ACK确认报文，拥塞窗口就会加1，直到窗口的大小达到慢启动门限】。慢启动门限一般是65535字节。

所以在慢启动期间，窗口大小的增长呈指数增长

拥塞避免

当拥塞窗口大小达到慢启动门限后，就进入拥塞避免阶段，【此时发送方每收到一个ACK确认报文，拥塞窗口就增加窗口分之1的大小，也就是每收到窗口大小个ACK确认报文，窗口大小就加1】

拥塞避免阶段，窗口大小呈线性增长。

随着发送速率的增长，网络可能会出现阻塞，导致丢包，此时进入到拥塞发生阶段，这时候就需要重传数据

拥塞发生

重传数据主要有两种机制，一种是超时重传，另一种是快速重传和快速恢复

• 超时重传

当发生了超时重传，就会使用拥塞发生算法：【慢启动门限会变为窗口大小的一般，拥塞窗口大小设为初始值，接着重新进入慢启动】

这种方式为了避免继续发送较多的数据而导致网络继续阻塞，而大大减少了数据的发送量

在linux系统中，我们可以使用命令来查看每一个tcp连接拥塞窗口的初始值，一般为10

ss -nli | grep cwnd

• 快速重传

还有另一种重传算法，也就是快速重传：当接收方发现中间丢了某一个包时，就连续发送3次丢失包的前一个包的ACK报文，于是发送方连续3次接收到相同的ACK报文，就能快速重传丢失的包，不必等到超时再重传

此时，【拥塞窗口大小变为原来的一半，慢启动门限设置为新拥塞窗口的大小，之后进入快速恢复阶段】

• 快速恢复

快速恢复算法如下：

• 拥塞窗口cwnd = 慢启动门限 + 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，则cwnd + 1

• 如果收到新的ACK，则把cwnd设置为慢启动门限的值，之后进入拥塞避免阶段。（恢复过程结束，进入到恢复之前的状态）

快速重传和快速恢复算法一般同时使用

总结

TCP协议的拥塞控制主要通过几个算法实现的，包括慢启动，拥塞避免，超时重传，快速重传和快速恢复

• 当TCP连接刚建立的时候，会进入【慢启动】阶段，也就是设置一个较小的拥塞窗口，发送方每收到一个ACK报文，拥塞窗口就加1，直到窗口大小达到慢启动门限

• 达到慢启动门限后，就进入【拥塞避免】阶段，发送方每收到拥塞窗口大小个ACK报文，窗口大小就加1

• 随着拥塞窗口大小，也就是发送速率的不断增加，网络可能会出现拥塞导致丢包，此时就需要重传数据，【重传】主要有两种机制

  • 一种是超时重传，此时慢启动门限会设置为拥塞窗口的一半，窗口大小恢复为初始值，接着重新进入慢启动，发送速率就会瞬间下降很多

  • 另一种是快速重传和快速恢复，当发送方连续接收到重复的ACK报文时，就认为发生丢包，此时拥塞窗口就会设置为原来的一般，慢启动门限设置为原来的一半，随后进入快速恢复阶段。快速恢复阶段会重传丢失的报文，当收到ACK后，拥塞窗口设置为慢启动门限，接着进入拥塞避免阶段。

这些拥塞控制算法能够防止一下子发送过多的数据导致网络拥塞，以及出现网络拥塞时及时调整数据的发送速率。