计算机网络传输层之TCP拥塞控制(慢开始与拥塞避免、快重传和快恢复)

文章转自：https://blog.csdn.net/weixin_43914604/article/details/105532044

学习课程：《2019王道考研计算机网络》

学习目的：利用最省时间的方法学习考研面试中的计算机网络。

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1、什么是拥塞控制？

• 所谓拥塞控制，是指防止过多的数据注入网络，保证网络中的路由器或链路不致过载。出现拥塞时，端点并不了解到拥塞发生的细节，对通信连接的端点来说，拥塞往往表现为通信时延的增加。当然，拥塞控制和流量控制也有相似的地方，即它们都通过控制发送方发送数据的速率来达到控制效果。

2、拥塞控制与流量控制的区别

• 拥塞控制是让网络能够承受现有的网络负荷，是一个全局性的过程，涉及所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。
• 流量控制往往是指点对点的通信量的控制，即接收端控制发送端，它所要做的是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
  
  例如：
• 某个链路的传输速率为10Gb/s,某巨型机向一台PC以1Gb/s的速率传送文件，显然网络的带宽是足够大的，不存在拥塞问题，但如此高的发送速率将导致PC可能来不及接收，因此必须进行流量控制。
• 但若有100万台PC在此链路上以1Mb/s的速率传送文件，则现在的问题就变为网络的负载是否超过了现有网络所能承受的范围。就像我们上网一样，有时候加载会很慢，提示访问请求过多，请稍后再试，就是网络产生了拥塞，带宽小，一下不能支持给多个请求终端发送数据。

为了更好地对传输层进行拥塞控制，因特网建议标准定义了以下4种算法:慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

3、拥塞控制的4种算法

（1）慢开始和拥塞避免

①慢开始算法

• 在TCP刚刚连接好并开始发送TCP报文段时，先令拥塞窗口cwnd= 1,即一个最大报文段长度MSS。每收到一个对新报文段的确认后，将cwnd加1,即增大一个 MSS。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口cwnd,可使分组注入网络的速率更加合理。

例如，A向B发送数据，发送时A的拥塞窗口为2,那么A一次可以发送两个TCP报文段，经过一个RTT后(也称一个传输轮次)，A收到B对刚才两个报文的确认，于是把拥塞窗口调整为4，下一次发送时就可一次发送4个报文段。

• 使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次(即往返时延RTT)，拥塞窗口cwnd就会加倍，即cwnd的大小指数式增长。这样，慢开始一直把拥塞窗口cwnd增大到一个规定的慢开始门限ssthresh(阈值)，然后改用拥塞避免算法。

②拥塞避免算法

• 拥塞避免算法的做法如下:发送端的拥塞窗口cwnd每经过一个往返时延RTT就增加一个MSS的大小，而不是加倍,使cwnd按线性规律缓慢增长(即加法增大),而当出现一次超时(网络拥塞)时，令慢开始门限ssthresh等于当前cwnd的一半(即乘法减小)。
• 根据cwnd的大小执行不同的算法，可归纳如下:
  ●当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法。
  ●当 cwnd > ssthresh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
  ●当cwnd = ssthresh时，既可使用慢开始算法，又可使用拥塞避免算法(通常做法)。

③网络拥塞的处理

• 网络出现拥塞时，无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方检测到超时事件的发生(未按时收到确认，重传计时器超时)，就要把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送方的cwnd值的一半(但不能小于2)。
  然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1,执行慢开始算法。这样做的目的是迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完。
• 拥塞避免并不完全能避免拥塞。利用以上措施要完全避免网络拥塞是不可能的。拥塞避免是指在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

在慢开始和拥塞避免算法中使用了“乘法减小”和“加法增大”方法。

• “乘法减小”是指不论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要出现一次超时(即很可能出现了网络拥塞)，就把慢开始门限值ssthresh设置为当前拥塞窗口值的一半。网络频繁出现拥塞时，ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注入网络的分组数。
• “加法增大”是指执行拥塞避免算法后，在收到对所有报文段的确认后(即经过一个 RTT),就把拥塞窗口cwnd增加一个MSS大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

（2）快重传和快恢复

快重传和快恢复算法是对慢开始和拥塞避免算法的改进。

①快重传

• 在TCP可靠传输机制中，快重传技术使用了冗余ACK来检测丢包的发生。同样，冗余ACK也用于网络拥塞的检测(丢了包当然意味着网络可能出现了拥塞)。快重传并非取消重传计时器，而是在某些情况下可更早地重传丢失的报文段。
  当发送方连续收到三个重复的ACK报文时，直接重传对方尚未收到的报文段，而不必等待那个报文段设置的重传计时器超时。

②快恢复

• 快恢复算法的原理如下:
• 发送端收到连续三个冗余ACK (即重复确认)时，执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时发送方cwnd的一半。
• 与慢开始(慢开始算法将拥塞窗口cwnd设置为1)的不同之处是，它把cwnd的值设置为慢开始门限ssthresh改变后的数值，然后开始执行拥塞避免算法(“ 加法增大”)，使拥塞窗口缓慢地线性增大。
• 由于跳过了cwnd从1起始的慢开始过程,所以被称为快恢复。

快恢复算法的实现过程如图所示，作为对比，虚线为慢开始的处理过程。

• 在流量控制中，发送方发送数据的量由接收方决定，而在拥塞控制中，则由发送方自己通过检测网络状况来决定。
• 实际上，慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复几种算法应是同时应用在拥塞控制机制之中的
• 当发送方检测到超时的时候，就采用慢开始和拥塞避免，
• 当发送方接收到冗余ACK时，就采用快重传和快恢复。

注意： 发送方发送窗口的实际大小由流量控制和拥塞控制共同决定。
因此，当题目中同时出现接收端窗口(rwnd) 和拥塞窗口(cwnd) 时，发送方实际的发送窗口大小是由rwnd和cwnd中较小的那一个确定的。