计算机网络_计算机网络之TCP协议流量拥塞控制算法原理：滑动窗口cwnd与rwnd

一、前言

  这篇博客来讲讲TCP的拥塞控制机制&＃xff0c;这是TCP中比较复杂的一个部分&＃xff0c;它与TCP的很多内容都有关联&＃xff0c;但是这里不可能将这些内容都说一遍&＃xff0c;所以以下描述将建立在读者对TCP的机制有一定了解的基础之上。这一部分内容确实有些复杂&＃xff0c;我尽量在少涉及TCP其他内容的条件下将它叙述清楚。

二、正文

 2.1 什么是拥塞控制

  我们都知道&＃xff0c;网络错综复杂&＃xff0c;在这个复杂的网络中&＃xff0c;很少有两台主机是直接相连。尽管如此&＃xff0c;我们还是可以通过网络与其他主机通信&＃xff0c;这是为什么&＃xff1f;因为我们发送到网络中的数据&＃xff0c;当达到网络中的一个节点时&＃xff08;假设是路由器&＃xff09;&＃xff0c;它会根据数据包含的地址&＃xff0c;帮我们将数据转发到离目的地更近的路由器&＃xff0c;或直接转发到目的地。但是&＃xff0c;这些路由器不是直接就可以转发的&＃xff0c;它们需要先将接收到的数据放入自己的内存&＃xff08;可能还要做一些处理&＃xff09;&＃xff0c;再从中取出进行转发。

  这里就面临一个问题&＃xff1a;路由器的内存是有限的&＃xff0c;若同一时间到达某个路由器的数据太多&＃xff0c;这个路由器将无法接收所有的数据&＃xff0c;只能将一部分丢弃&＃xff1b;或者同一台路由器数据太多&＃xff0c;后面到达的数据将要等待较长的时间才会被转发。网络中的数据太多&＃xff0c;导致某个路由器处理不过来或处理地太慢&＃xff0c;这就是网络拥塞。若是对于TCP这种有重传机制的传输协议&＃xff0c;当发生数据丢失时&＃xff0c;重传数据将延长数据到达的时间&＃xff1b;同时&＃xff0c;高频率的重传&＃xff0c;也将导致网络的拥塞得不到缓解。拥塞控制&＃xff0c;就是在网络中发生拥塞时&＃xff0c;减少向网络中发送数据的速度&＃xff0c;防止造成恶性循环&＃xff1b;同时在网络空闲时&＃xff0c;提高发送数据的速度&＃xff0c;最大限度地利用网络资源。说的简单点&＃xff0c;就和堵车差不多&＃xff0c;路就这么宽&＃xff0c;来的车多了&＃xff0c;自然过的就慢&＃xff0c;所以在必要的时候要限号。

 2.2 拥塞控制的方法

  在理论中&＃xff0c;拥塞控制有两种实现方式&＃xff1a;

• 端到端拥塞控制&＃xff1a;在这种拥塞控制方法中&＃xff0c;由发送数据的端系统自己来判断是否拥塞&＃xff0c;然后调整传输速率。比如说发送的数据已经超时却还没有接收到确认报文&＃xff0c;数据往返时延过高&＃xff0c;接收到对同一个数据段的重复确认......都可以认为是网络拥塞的现象&＃xff1b;若发送端检测到这种现象&＃xff0c;就应该降低发送数据的速率&＃xff0c;若没有&＃xff0c;则可以慢慢提高速率&＃xff1b;
• 网络辅助的拥塞控制&＃xff1a;由网络中的路由器来告诉发送方&＃xff0c;网络的拥塞情况。一般有两种方式&＃xff1a;&＃xff08;1&＃xff09;路由器直接向发送端发送报文&＃xff0c;告知网络拥塞情况&＃xff1b;&＃xff08;2&＃xff09;路由器更改数据段中的某个标志&＃xff0c;来提示网络中的拥塞情况&＃xff0c;然后数据将这个标志携带到目的主机&＃xff0c;再由目的主机根据这个标志&＃xff0c;向发送端发送报文&＃xff0c;告知拥塞情况&＃xff08;被包含在确认报文中&＃xff09;&＃xff1b;

 2.3 TCP的拥塞控制方法

  因为网络层不会提供拥塞的反馈信息&＃xff0c;所以TCP协议采用的是第一种方式——自己判断网络的拥塞情况。当TCP检测到网络拥塞&＃xff0c;则降低数据的发送速率&＃xff0c;否则增加数据的发送速率。这里就将面临三个问题&＃xff1a;

1. TCP如何限制数据的发送速率&＃xff1b;
2. TCP如何检测网络中是否拥塞&＃xff1b;
3. TCP采用什么算法来调整速率&＃xff08;什么时候调整&＃xff0c;调整多少&＃xff09;&＃xff1b;

  首先来回答第一个问题。了解TCP的应该知道&＃xff0c;TCP不是发送一个数据段&＃xff0c;接收到确认后再发送另一个数据段&＃xff0c;它采用的是流水线的方式。TCP的每一个数据段都有一个序号&＃xff0c;而TCP维护一个发送窗口来发送是数据&＃xff0c;这个窗口就是一个区间。所有序号位于这个窗口内的数据段都会被一次性发送&＃xff0c;而不需要等待之前发送的数据段被确认。而每当最早发送出去的数据段被确认&＃xff0c;窗口就会向前移动&＃xff0c;直到移动到第一个没有被确认的序号&＃xff0c;这时候又会有新的数据段序号被包含在窗口中&＃xff0c;然后被发送出去。所以限制数据发送速率最好的方式就是限制窗口的大小。在发送方的TCP程序会跟踪和维护一个叫做拥塞窗口的变量&＃xff0c;用来进行拥塞控制。拥塞窗口被称为cwnd。在TCP发送端&＃xff0c;所有被发送但是还没收到确认的数据段必须落在这个窗口中&＃xff0c;所有&＃xff0c;当网络拥塞时&＃xff0c;TCP程序将减小cwnd&＃xff0c;而网络通畅时&＃xff0c;增大cwnd&＃xff0c;以此来控制数据发送的速率。

  接着来回答第二个问题。TCP程序将通过数据发送的一些现象来推测网络是否拥塞&＃xff0c;比如&＃xff1a;

• 若发送一条数据段后&＃xff0c;成功接收到了接收方的确认报文&＃xff0c;则可以认为网络没有拥塞&＃xff1b;
• 若发送出一条数据段后&＃xff0c;在规定时间内没有收到确认报文&＃xff08;丢失或时延太大&＃xff09;&＃xff0c;则可以认为网络出现了拥塞&＃xff1b;
• 若连续收到接收方对同一条报文的三次冗余确认&＃xff08;也就是四次确认&＃xff09;&＃xff0c;则可以推测那条报文丢失&＃xff0c;即发生了拥塞&＃xff1b;

  上面的第三种情况&＃xff0c;与TCP的快速重传机制有关&＃xff0c;我这里不详细说明&＃xff0c;只是大致介绍一下。TCP无法保证数据能够按顺序到达接收端&＃xff0c;所以&＃xff0c;可能出现序号靠后的数据报反倒先到达的情况。而TCP接收方并不是接收到哪一条报文&＃xff0c;就向发送方发送哪条报文的确认&＃xff0c;它是通过发送当前应该接收到的序号最小的报文进行确认。举个例子&＃xff1a;

1. 发送方同时发送了1&＃xff0c;2&＃xff0c;3&＃xff0c;4&＃xff0c;5这五个序号的报文&＃xff0c;假设接收方接收到序号1的报文&＃xff0c;于是将向发送方发送一个确认号为2的确认报文&＃xff08;TCP发送方通过确认号来判断接收方接收到的报文&＃xff09;&＃xff0c;告诉发送方我已经收到2之前的报文了&＃xff0c;下一条报文我想要2&＃xff1b;
2. 接收方接收到2号报文后&＃xff0c;发送确认号3&＃xff0c;告诉发送方我接收到了3之前的所有报文&＃xff1b;
3. 这时候因为网络的不确定性&＃xff0c;在3号没有到达前&＃xff0c;4号报文先到达了&＃xff0c;接收方接收到后&＃xff0c;将它放入缓存&＃xff0c;并依旧回复确认号3&＃xff0c;表示它需要的是3号报文&＃xff1b;
4. 可是&＃xff0c;之后到达的却5&＃xff0c;于是它将5放入缓存&＃xff0c;并依旧回复3&＃xff1b;
5. 直到3迟迟的到来&＃xff0c;这时候接收方接收3&＃xff0c;同时发现缓存中存在4和5&＃xff0c;于是回复发送方确认号6&＃xff0c;表示自己已经接收到了6之前的全部报文&＃xff0c;下一条需要6&＃xff1b;

  在这里&＃xff0c;发送方一共接收到了三条确认号为3的确认报文&＃xff08;确认号为3是对2号报文的确认&＃xff09;&＃xff0c;第一条正常&＃xff0c;后面两条冗余。而所谓的快速重传就是指&＃xff1a;若发送方接收到对同一条报文的三次冗余确认&＃xff08;也就是四次确认&＃xff09;&＃xff0c;就认为这条报文的下一条已经丢失&＃xff0c;于是不管计时器是否超时&＃xff0c;都直接重传这条报文的下一条。上面的例子中&＃xff0c;2号报文被冗余确认了两次&＃xff0c;还不构成快速重传的条件。而为什么是三次&＃xff0c;其实就是概率和时间长短的折中选择。

  下面回到正题&＃xff0c;当快速重传的条件发生&＃xff0c;发送方将认为出现了拥塞导致丢包。所有归根到底&＃xff0c;TCP判断拥塞的方式就是检测有没有丢包。于是我们就可以回答第三个问题了&＃xff0c;TCP如何调整发送速率——在没有丢包时慢慢提高拥塞窗口cwnd的大小&＃xff0c;当发生丢包事件时&＃xff0c;减少cwnd的大小。当然&＃xff0c;具体的算法要复杂的多&＃xff0c;TCP调整拥塞窗口的主要算法有 慢启动 &＃xff0c; 拥塞避免 以及 快速恢复&＃xff0c;其中前两个是TCP规范要求必须实现的&＃xff0c;而第三个则是推荐实现的&＃xff0c;TCP根据情况在这三者之间切换。 下面我就来一一介绍。

 2.4 慢启动

  在讲解之前&＃xff0c;首先得知道一些名词&＃xff1a;

• MSS&＃xff1a;最大报文段长度&＃xff0c;TCP双方发送的报文段中&＃xff0c;包含的数据部分的最大字节数&＃xff1b;
• cwnd&＃xff1a;拥塞窗口&＃xff0c;TCP发送但还没有得到确认的报文的序号都在这个区间&＃xff1b;
• RTT&＃xff1a;往返时间&＃xff0c;发送方发送一个报文&＃xff0c;到接收这个报文的确认报文所经历的时间&＃xff1b;
• ssthresh&＃xff1a;慢启动阈值&＃xff0c;慢启动阶段&＃xff0c;若cwnd的大小达到这个值&＃xff0c;将转换到拥塞避免模式&＃xff1b;

  慢启动是建立TCP连接后&＃xff0c;采用的第一个调整发送速率的算法&＃xff08;或叫模式&＃xff09;。在这个阶段&＃xff0c;cwnd通常被初始化为1MSS&＃xff0c;这个值比较小&＃xff0c;在这个时候&＃xff0c;网络一般还有足够的富余&＃xff0c;而慢启动的目的就是尽快找到上限。在慢启动阶段&＃xff0c;发送方每接收到一个确认报文&＃xff0c;就会将cwnd增加1MSS的大小&＃xff0c;于是&＃xff1a;

• 初始cwnd&＃61;1MSS&＃xff0c;所以可以发送一个TCP最大报文段&＃xff0c;成功确认后&＃xff0c;cwnd &＃61; 2MSS&＃xff1b;
• 此时可以发送两个TCP最大报文段&＃xff0c;成功接收后&＃xff0c;cwnd &＃61; 4 MSS&＃xff1b;
• 此时可以发送四个TCP最大报文段&＃xff0c;成功接收后&＃xff0c;cwnd &＃61; 8 MSS......

  由于TCP是一次性将窗口内的所有报文发出&＃xff0c;所以所有报文都到达并被确认的时间&＃xff0c;近似的等于一个RTT&＃xff08;记住这个结论&＃xff0c;后面所述的RTT都是基于这个结论&＃xff09;。所以在这个阶段&＃xff0c;拥塞窗口cwnd的长度将在每个RTT后翻倍&＃xff0c;也就是发送速率将以指数级别增长&＃xff08;所以不要被慢启动这个名字误导了&＃xff09;。那这个过程什么时候改变呢&＃xff0c;这又分几种情况&＃xff1a;

• 第一种&＃xff1a;若在慢启动的过程中&＃xff0c;发生了数据传输超时&＃xff0c;则此时TCP将ssthresh的值设置为cwnd / 2&＃xff0c;然后将cwnd重新设置为1MSS&＃xff0c;重新开始慢启动过程&＃xff0c;这个过程可以理解为试探上限&＃xff1b;
• 第二种&＃xff1a;第一步试探出来的上限ssthresh将用在此处。若cwnd的值增加到>&＃61; ssthresh时&＃xff0c;此时若继续使用慢启动的翻倍增长方式可能有些鲁莽&＃xff0c;所以这个时候结束慢启动&＃xff0c;改为拥塞避免模式&＃xff1b;
• 第三种&＃xff1a;若发送方接收到了某个报文的三次冗余确认&＃xff08;即触发了快速重传的条件&＃xff09;&＃xff0c;则进入到快速恢复阶段&＃xff1b;同时&＃xff0c;ssthresh &＃61; cwnd / 2&＃xff0c;毕竟发生快速重传也可以认为是发生拥塞导致的丢包&＃xff0c;然后cwnd &＃61; ssthresh &＃43; 3MSS&＃xff1b;

  以上就是慢启动的过程&＃xff0c;下面来介绍拥塞避免。

 2.5 拥塞避免

  刚进入这个模式时&＃xff0c;cwnd的大小近似的等于上次拥塞时的值的一半&＃xff08;这是由进入这个模式的条件决定的&＃xff09;&＃xff0c;也就是说当前的cwnd很接近产生拥塞的值。所以&＃xff0c;拥塞避免是一个速率缓慢且线性增长的过程&＃xff0c;在这个模式下&＃xff0c;每经历一个RTT&＃xff08;请注意2.4中有关RTT的结论&＃xff09;&＃xff0c;cwnd的大小增加1MSS&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;假设cwnd包含10个报文的大小&＃xff0c;则每接收到一个确认报文&＃xff0c;cwnd增加1/10 MSS。这个线性增长的过程什么时候结束&＃xff0c;分为两种情况&＃xff1a;

• 第一种&＃xff1a;在这个过程中&＃xff0c;发生了超时&＃xff0c;则表示网络拥塞&＃xff0c;这时候&＃xff0c;ssthresh 被修改为cwnd / 2&＃xff0c;然后cwnd被置为1MSS&＃xff0c;并进入慢启动阶段&＃xff1b;
• 第二种&＃xff1a;若发送方接收到了某个报文的三次冗余确认&＃xff08;即触发了快速重传的条件&＃xff09;&＃xff0c;此时也认为发生了拥塞&＃xff0c;则&＃xff0c;ssthresh 被修改为 cwnd / 2&＃xff0c;然后cwnd被置为ssthresh &＃43; 3MSS&＃xff0c;并进入快速恢复模式&＃xff1b;

  我们可以看到&＃xff0c;慢启动和拥塞避免在接收到三个冗余的确认报文时&＃xff0c;处理方式是一样的&＃xff1a;判断发生了拥塞&＃xff0c;并减小ssthresh 的大小&＃xff0c;但是cwnd的大小却不见得有减小多少&＃xff0c;这一点让人疑惑。我个人认为是这样&＃xff0c;虽然发送方通过接收三次冗余确认报文&＃xff0c;判断可能存在拥塞&＃xff0c;但是既然可以收到冗余的确认报文&＃xff0c;表示拥塞不会太严重&＃xff0c;甚至已经不再拥塞&＃xff0c;所以对cwnd的减小不是这么剧烈。

 2.6 快速恢复

  快速恢复和上面两种模式不太一样&＃xff0c;这种模式在TCP规范中并没有强制要求实现&＃xff0c;只是一种推荐实现的模式。在快速恢复阶段&＃xff0c;每接收到一个冗余的确认报文&＃xff0c;cwnd就增加1MSS&＃xff0c;其余不变&＃xff0c;而当发生以下两种情况时&＃xff0c;将退出快速恢复模式&＃xff1a;

• 第一种&＃xff1a;在快速恢复过程中&＃xff0c;计时器超时&＃xff0c;这时候&＃xff0c;ssthresh 被修改为 cwnd / 2&＃xff0c;然后cwnd被置为1MSS&＃xff0c;并进入慢启动阶段&＃xff1b;
• 第二种&＃xff1a;若发送方接收到一条新的确认报文&＃xff08;不是冗余确认&＃xff09;&＃xff0c;则cwnd被置为ssthresh&＃xff0c;然后进入到拥塞避免模式&＃xff1b;

  这里有一个疑问&＃xff0c;进入到此模式的条件就是接收到三次冗余的确认报文&＃xff0c;判断报文丢失&＃xff0c;那为什么再次接收到冗余确认报文时&＃xff0c;cwnd还是要增长呢&＃xff1f;我搜遍网上博客&＃xff0c;只在一篇博客中找到一种说法&＃xff0c;我认为还是有一定道理的&＃xff1a;此时再次收到一条冗余的确认报文&＃xff0c;表示发送端发出的报文又有一条离开网络到达了接收端&＃xff08;虽然不是接收端当前想要的一条&＃xff09;&＃xff0c;这说明网络中腾出了一条报文的空间&＃xff0c;所以允许发送端再向网络中发送一条报文。但是由于当前序号最小的报文丢失&＃xff0c;导致拥塞窗口cwnd无法向前移动&＃xff0c;于是只好将cwnd增加1MSS&＃xff0c;于是发送端又可以发送一条数据段&＃xff0c;提高了网络的利用率。

 2.7 三种模式相互转换状态图

  下面给出一张三种模式互相转换的状态图&＃xff0c;途中箭头上的是转换的条件&＃xff0c;条件有上下两部分&＃xff0c;横线上方的是上面事件引起的转换&＃xff0c;而下方是转换时发生的操作。

三、总结

  拥塞控制应该是TCP中相对比较复杂的一个部分了&＃xff0c;理解起来不是那么容易。在写这篇博客之前&＃xff0c;对于上面所说的三种模式&＃xff0c;我只知道具体的流程&＃xff0c;却有很多地方不清楚为什么要这么做。但是在写这篇博客时&＃xff0c;反复阅读书本&＃xff0c;找博客阅读的过程让我对慢慢理解了它们的意图。这就是我写博客的理由&＃xff0c;通过复述&＃xff0c;来加深自己的理解&＃xff0c;同时也希望这篇博客对看到的人有所帮助。

四、参考

• 《计算机网络——自顶向下方法&＃xff08;原书第七版&＃xff09;》
• https://blog.csdn.net/jeason29/article/details/50427397/