如何理解TCP擁塞控制算法

如何理解TCP擁塞控制算法，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

?最近花了些時間在學習TCP/IP協議上，首要原因是由于本人長期以來對TCP/IP的認識就只限于三次握手四次分手上，所以希望深入了解一下。再者，TCP/IP和Linux系統層級的很多設計都可以用于中間件系統架構上，比如說TCP 擁塞控制算法也可以用在以響應時間來限流的中間件上。更深一層，像TCP/IP協議這種基礎知識和原理性的技術，都是經過長時間的考驗的，都是前人智慧的結晶，可以給大家很多啟示和幫助。

?文中會出現一些縮寫，因為篇幅問題，無法每個都進行解釋，如果你不明白它的含義，請自己去搜索了解，做一個主動尋求知識的人。

?TCP協議有兩個比較重要的控制算法，一個是流量控制，另一個就是阻塞控制。

?TCP協議通過滑動窗口來進行流量控制，它是控制發送方的發送速度從而使接受者來得及接收并處理。而擁塞控制作用于整體網絡，它是防止過多的包被發送到網絡中，避免出現網絡負載過大，網絡擁塞的情況。

?擁塞算法需要掌握其狀態機和四種算法。擁塞控制狀態機的狀態有五種，分別是Open，Disorder，CWR，Recovery和Loss狀態。四個算法為慢啟動，擁塞避免，擁塞發生時算法和快速恢復。

Congestion Control State Machine

?和TCP一樣，擁塞控制算法也有其狀態機。當發送方收到一個ACK時，Linux TCP通過狀態機的狀態來決定其接下來的行為，是應該降低擁塞窗口cwnd大小，或者保持cwnd不變，還是繼續增加cwnd。如果處理不當，可能會導致丟包或者超時。

1 Open狀態

?Open狀態是擁塞控制狀態機的默認狀態。這種狀態下，當ACK到達時，發送方根據擁塞窗口cwnd(Congestion Window)是小于還是大于慢啟動閾值ssthresh(slow start threshold)，來按照慢啟動或者擁塞避免算法來調整擁塞窗口。

2 Disorder狀態

?當發送方檢測到DACK(重復確認)或者SACK(選擇性確認)時，狀態機將轉變為Disorder狀態。在此狀態下，發送方遵循飛行(in-flight)包守恒原則，即一個新包只有在一個老包離開網絡后才發送，也就是發送方收到老包的ACK后，才會再發送一個新包。

3 CWR狀態

?發送方接收到一個顯示擁塞通知時，并不會立刻減少擁塞窗口cwnd，而是每收到兩個ACK就減少一個段，直到窗口的大小減半為止。當cwnd正在減小并且網絡中有沒有重傳包時，這個狀態就叫CWR(Congestion Window Reduced，擁塞窗口減少)狀態。CWR狀態可以轉變成Recovery或者Loss狀態。

4 Recovery狀態

?當發送方接收到足夠(推薦為三個)的DACK(重復確認)后，進入該狀態。在該狀態下，擁塞窗口cnwd每收到兩個ACK就減少一個段(segment)，直到cwnd等于慢啟動閾值ssthresh，也就是剛進入Recover狀態時cwnd的一半大小。 ?發送方保持 Recovery 狀態直到所有進入 Recovery狀態時正在發送的數據段都成功地被確認，然后發送方恢復成Open狀態，重傳超時有可能中斷 Recovery 狀態，進入Loss狀態。

5 Loss狀態

?當一個RTO(重傳超時時間)到期后，發送方進入Loss狀態。所有正在發送的數據標記為丟失，擁塞窗口cwnd設置為一個段(segment)，發送方再次以慢啟動算法增大擁塞窗口cwnd。

?Loss 和 Recovery 狀態的區別是:Loss狀態下，擁塞窗口在發送方設置為一個段后增大，而 Recovery 狀態下，擁塞窗口只能被減小。Loss 狀態不能被其他的狀態中斷，因此，發送方只有在所有 Loss 開始時正在傳輸的數據都得到成功確認后，才能退到 Open 狀態。

四大算法

?擁塞控制主要是四個算法：1）慢啟動，2）擁塞避免，3）擁塞發生，4）快速恢復。這四個算法不是一天都搞出來的，這個四算法的發展經歷了很多時間，到今天都還在優化中。

慢熱啟動算法 – Slow Start

?所謂慢啟動，也就是TCP連接剛建立，一點一點地提速，試探一下網絡的承受能力，以免直接擾亂了網絡通道的秩序。

?慢啟動算法：

1) 連接建好的開始先初始化擁塞窗口cwnd大小為1，表明可以傳一個MSS大小的數據。 2) 每當收到一個ACK，cwnd大小加一，呈線性上升。 3) 每當過了一個往返延遲時間RTT(Round-Trip Time)，cwnd大小直接翻倍，乘以2，呈指數讓升。 4) 還有一個ssthresh（slow start threshold），是一個上限，當cwnd >= ssthresh時，就會進入“擁塞避免算法”（后面會說這個算法）

擁塞避免算法 – Congestion Avoidance

?如同前邊說的，當擁塞窗口大小cwnd大于等于慢啟動閾值ssthresh后，就進入擁塞避免算法。算法如下：

1) 收到一個ACK，則cwnd = cwnd + 1 / cwnd 2) 每當過了一個往返延遲時間RTT，cwnd大小加一。

?過了慢啟動閾值后，擁塞避免算法可以避免窗口增長過快導致窗口擁塞，而是緩慢的增加調整到網絡的最佳值。

擁塞狀態時的算法

?一般來說，TCP擁塞控制默認認為網絡丟包是由于網絡擁塞導致的，所以一般的TCP擁塞控制算法以丟包為網絡進入擁塞狀態的信號。對于丟包有兩種判定方式，一種是超時重傳RTO[Retransmission Timeout]超時，另一個是收到三個重復確認ACK。

?超時重傳是TCP協議保證數據可靠性的一個重要機制，其原理是在發送一個數據以后就開啟一個計時器，在一定時間內如果沒有得到發送數據報的ACK報文，那么就重新發送數據，直到發送成功為止。

?但是如果發送端接收到3個以上的重復ACK，TCP就意識到數據發生丟失，需要重傳。這個機制不需要等到重傳定時器超時，所以叫做快速重傳，而快速重傳后沒有使用慢啟動算法，而是擁塞避免算法，所以這又叫做快速恢復算法。

?超時重傳RTO[Retransmission Timeout]超時，TCP會重傳數據包。TCP認為這種情況比較糟糕，反應也比較強烈：

• 由于發生丟包，將慢啟動閾值ssthresh設置為當前cwnd的一半，即ssthresh = cwnd / 2.

• cwnd重置為1

• 進入慢啟動過程

?最為早期的TCP Tahoe算法就使用上述處理辦法，但是由于一丟包就一切重來，導致cwnd重置為1，十分不利于網絡數據的穩定傳遞。

?所以，TCP Reno算法進行了優化。當收到三個重復確認ACK時，TCP開啟快速重傳Fast Retransmit算法，而不用等到RTO超時再進行重傳：

• cwnd大小縮小為當前的一半

• ssthresh設置為縮小后的cwnd大小

• 然后進入快速恢復算法Fast Recovery。

快速恢復算法 – Fast Recovery

?TCP Tahoe是早期的算法，所以沒有快速恢復算法，而Reno算法有。在進入快速恢復之前，cwnd和ssthresh已經被更改為原有cwnd的一半。快速恢復算法的邏輯如下：

• cwnd = cwnd + 3 * MSS，加3 * MSS的原因是因為收到3個重復的ACK。

• 重傳DACKs指定的數據包。

• 如果再收到DACKs，那么cwnd大小增加一。

• 如果收到新的ACK，表明重傳的包成功了，那么退出快速恢復算法。將cwnd設置為ssthresh，然后進入擁塞避免算法。

?如圖所示，第五個包發生了丟失，所以導致接收方接收到三次重復ACK，也就是ACK5。所以將ssthresh設置為當時cwnd的一半，也就是6/2 = 3，cwnd設置為3 + 3 = 6。然后重傳第五個包。當收到新的ACK時，也就是ACK11，則退出快速恢復階段，將cwnd重新設置為當前的ssthresh，也就是3，然后進入擁塞避免算法階段。

?本文為大家大致描述了TCP擁塞控制的一些機制，但是這些擁塞控制還是有很多缺陷和待優化的地方，業界也在不斷推出新的擁塞控制算法，比如說谷歌的BBR。

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