TCP拥塞控制

拥塞

计算机网络中的资源都是有限的,某段时间内网络中对资源的需求超过了网络中的可用部分,而导致网络性能下降的情况就是拥塞。通俗点说就是发送的数据包太多网络中的设备处理不过来,而导致网络性能下降的情况。

拥塞控制室作用于网络,他是防止过多的数据注入到网络中,避免出现网络负载过大的情况;

TCP为什么要进行拥塞控制

网络中的路由器会有一个数据包处理队列,当路由器接收到的数据包太多而一下子处理不过来时,就会导致数据包处理队列过长。此时,路由器就会无条件的丢弃新接收到的数据封包。

这就会导致上层的TCP协议以为数据包在网络中丢失,进行重传这些数据包,而路由器又会丢弃这些重传的数据包,如此以往,就会导致网络性能急剧下降,引起网络瘫痪。

因此,TCP需要控制数据包发送的数量来避免网络性能的下降

拥塞控制的方法

慢开始

拥塞窗口

发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd(congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度,并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口,另外考虑到接受方的接收能力,发送窗口可能小于拥塞窗口。

传输轮次

一个传输轮次是指发送方把自己的发送窗口内的数据全部发送出去并收到对最后一个字节的确认。

例如,A将自己的发送窗口内的数据全部连续发送给了B,而B收到这些数据后向A发送了对这些数据的确认,A收到这个确认后,一个传输轮次就算是完成了。

拥塞避免

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞,还需设置一个慢开始门限(slow-start threshold)状态变量。ssthresh的用法如下:当cwnd<ssthresh时,使用慢开始算法。
当cwnd>ssthresh时,改用拥塞避免算法。
当cwnd=ssthresh时,慢开始与拥塞避免算法任意

拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长,即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1,而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。

拥塞避免的过程如下:

拥塞避免

快重传

快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方,可提高网络吞吐量约20%)而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定,发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段,而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

快恢复

快恢复算法是与快重传算法配合使用的一个算法。

当发送方连续收到三个重复确认时,就执行“乘法减小”算法,把ssthresh门限减半(为了预防网络发生拥塞)。但是接下去并不执行慢开始算法
考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认,所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法,而是将cwnd设置为ssthresh减半后的值,然后执行拥塞避免算法,使cwnd缓慢增大。

快恢复过程如下:

快恢复过程

关于 乘法减小(Multiplicative Decrease)和加法增大(Additive Increase):

“乘法减小”指的是无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞,就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半,并执行慢开始算法,所以当网络频繁出现拥塞时,ssthresh下降的很快,以大大减少注入到网络中的分组数。“加法增大”是指执行拥塞避免算法后,使拥塞窗口缓慢增大,以防止过早出现拥塞。常合起来成为AIMD算法。

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