TCP的拥塞控制 (一)

拥塞控制不同于流量控制，拥塞控制是在拥塞发生时，发送方根据一定的反馈，主动调节自己的发送速率，以防止拥塞恶化的行为。

1. 网络拥塞

路由器是网络中的关键组件，其内部有一定量的缓冲区，用于缓存来不及转发(forward，或称transmit)出去的packet。如果将网络看成一个整体，那么一个网络的链路容量(link capacity)就取决于网络中的路由器的缓冲区大小。链路容量越大，整个网络可容纳的outstanding(即在网络中propagate)的packet就越多。

当网络中的packet较少时，每个packet进入路由器，会较快被转发出去，几乎没有延迟。而当网络中的packet过多时，路由器来不及转发，大量的packet就会在路由器中排队，等待转发(FIFO)，此时packet就有较长的延迟，当缓冲区满时，后进来的packet甚至会被丢弃(lost packet)。这就是拥塞现象(congestion)。

2. Duplicate ACK

由TCP的Acknowledgement机制可知，receiver期待能按序地(in sequence)接受下一个packet。当out-of-order packet(乱序包)发生时，receiver(虽然会缓存乱序包)不会将错就错地回复乱序的包，而是坚持请求之前期待的包。receiver会在对应的ACK中指明未接受的packet中序号最小的一个(也就是一直期待的packet)，而不是与错误的packet的相邻的下一个。这样以来，receiver每收到一个乱序包，都会发送一个与上一个ACK内容相同的ACK，直到收到所期待的packet为止，这就形成了重复ACK(duplicate ACK)。

重复ACK是网络拥塞情况的一个体现，当重复ACK出现时，说明出现了乱序包或者丢包，而乱序包和丢包又是网络拥塞所导致的，因此重复ACK越频繁，网络拥塞越严重。

在对网络拥塞的影响程度上，乱序包和丢包是不同的。前者仅仅意味着packet不是按序到达receiver，被跳过的packet很可能会在后面陆续到达，而后者意味着packet不会再到达了，因为已经在网络上被丢弃了。

可以看出，对于乱序包，sender是不需要做任何处理的，而对于丢包，sender需要负责重传丢失的packet。sender为了有针对性地处理两种情况，首先要采取一定的机制区分两种情况。统计发现，乱序包造成的重复ACK一般都是1~2个，而丢包造成的重复ACK则是3个及以上。因此，sender可以根据收到的重复ACK的个数，判断是否发生了乱序包或者丢包。

3. Retransmission Timeout

TCP可靠传输的核心是重传机制。当一个packet没有被receiver接收到时，sender需要重传该packet，直到receiver接收到packet为止。

触发重传有两种情况，且都与ACK有关。最经典的触发重传的情况是超时。当sender发送一个packet之后，即开启timer，等待对应的ACK，如果在timer结束前收到ACK，则认为paceket发送成功，否则认为发送失败，继而进行重传。可以看出timer的超时时间(RTO, Retransmission Timeout)是触发重传的关键，那么sender是如何合理地设置RTO的呢？很显然，RTO是与当前网络环境相关的一个变量，需要实时计算得到。联想到RTT，可以猜测RTO与RTT存在一定的联系，事实上RTO就是基于SRTT(smoothed RTT)计算得到的，两者存在线性关系。每当发送一个新的packet时，timer就被设置为当前RTO，之后每隔500ms更新一次，当收到相应的ACK时，timer就被停止，否则直到timer递减到0并触发重传。计算RTO的具体算法参考RFC6298。

4. 拥塞控制

Congestion Control不同于Flow Control，Congestion Control是在拥塞发生时，sender根据一定的反馈，主动调节自己的发送速率，以防止拥塞恶化的行为。

sender会根据两种现象探测拥塞的发生：

如果收到来自receiver的3个重复ACK(算上原始ACK，实际上有4个相同的ACK)，则认为发生了拥塞，并且知道ACK中指明的即为lost packet。

如果ACK超时(超过RTO仍未收到ACK)，也认为发生了拥塞，并且这种情况说明拥塞更加严重(因为连重复ACK都没收到)。

TCP引入了两个变量：rwnd和cwnd，用于拥塞控制。rwnd是receiver的接收窗口(receive window)的大小，也是它所建议的sender的发送窗口的大小，此变量最初目的是用于flow control中，协调双方的发送/接收速率。cwnd是sender的拥塞窗口的大小，sender所能发送的packet被限制在该窗口内，考虑到Flow Control里的发送窗口，sender最终的发送窗口被定义为min{cwnd, rwnd}，因此LastByteSent – LastByteAcked <= min{cwnd, rwnd}.

cwnd和rwnd的单位是MSS(maximum segment size)，表示TCP允许的最大单个报文的长度，不包括TCP头部信息。

可以粗略地认为发送窗口的大小就是cwnd。TCP一般在一个 RTT内，将发送窗口里的packet全部发送出去，因此发送速率为cwnd/RTT。因此，sender调节自己的发送速率实际上就是调整cwnd的大小。