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TCP详解之拥塞控制

2023-05-16

概述

  TCP模块还有一个重要任务，就是提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性，这就是所谓的拥塞控制。
  拥塞控制的四个部分：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno、vegas和cubic算法，他们部分或全部实现了上述四个部分。/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control文件指示机器当前使用的拥塞控制算法。
  拥塞控制的最终受控变量是发送端向网络一次连续写入的数据量（收到第一个确认数据报之前），我们称之为SWND(Send Window，发送窗口)。发送端最终是以TCP报文段来发送数据，所以SWND限定了发送端能连续发送的TCP报文段数量。这些TCP报文段的最大长度（仅指数据部分）称为SMSS(Sender Maximun Sefment Size,发送者最大段大小)，其值一般等于MSS(最大报文长度)。
  发送端需要合理地选择SWND大小，如果SWND太小，会引起明显的网络延迟；反之太大，会导致网络拥塞。接收方可通过其接受通告窗口(RWND)来控制发送端的SWND，但这显然不够，所以发送端引入了一个称为拥塞窗口(Congestion Window,CWND)的状态变量。实际的SWND值是RWND(16位接收通告大小)和CWND(拥塞窗口)的较小值。
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  如图所示，拥塞控制的输入和输出是一个闭环反馈控制。

慢启动和拥塞避免

  TCP连接建立好之后，CWND将被设置成初始值IW(Initial Window)，其大小为2-4个SMSS。新的Linux内核提高了该初始值，以减小传输滞后。此时发送端最多可以发送IW字节的数据。此后发送端每收到接收端的一个确认，其CWND就按照下列公式增加：
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  其中N是此次确认中包含的之前未被确认的字节数。这样一来，CWND将按照指数形式扩大，这就是所谓的慢启动。慢启动算法的理由是：TCP模块刚开始发送数据时并不知道网络的实际情况，需要一种试探的方式平滑地增加CWND的大小。
  如果不施加其他手段，慢启动必然使得CWND很快膨胀，并最终导致网络拥塞。因此TCP拥塞控制中定义了另一个重要的状态变量：慢启动门限(ssthresh)。当CWND的大小超过该值时，TCP拥塞控制将进入拥塞避免阶段。
  拥塞避免算法使得CWND按照线性方式增加，从而减缓其扩大。拥塞避免算法有如下
两种实现方式：
  1.每个RTT(一个连接的往返时间,即数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值)时间内按照上图公式计算新的CWND，而不论该RTT时间内发送端收到多少个确认。
  2.每收到一个对新数据的确认报文段，就按照CWND+=SMSS*SMSS/CWND来更新CWND。
下图粗略地描述了慢启动和拥塞避免发生的时机和区别。图中以SMSS为单位来显示CWND(实际是以字节为单位的)，以次数为单位来显示RTT，为了方便讨论问题，此外，我们假设当前的慢启动门限是16SMSS大小（实际比这大得多）。

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拥塞发生时(可能发生在慢启动阶段或者拥塞避免阶段)拥塞控制的行为。
发送端判断拥塞发生的依据有如下两个：
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  其中FlightSize是已经发送但未收到确认的字节数。这样调整后，CWND将小于SMSS，那么也必然小于新的慢启动门限值，故而拥塞控制再次进入慢启动阶段。

超时重传

  TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每一个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接受方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。下一次的超时时间和总的重传次数是TCP的重传策略。
  TCP报文段重传的时间间隔为0.2s,0.4s,0.8s,1.6s,3.2s。可见TCP一共进行五次重传，每次重传超时时间增加一倍(和TCP超时重连策略相似)。在五次重传均失败的情况下，底层的IP和ARP开始接管，直到telnet客户端放弃连接为止。
  /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认为3，/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认为15。
  虽然超时会导致TCP报文重传，但TCP报文段的重传可以发生在超时之前，即快速重传。

快速重传和快速恢复

  在很多情况下，发送端都可能接收到重复的确认报文段，比如TCP报文段丢失，或者接收端收到乱序TCP报文段并重排之等。拥塞控制算法需要判断当收到重复的确认报文段时，网络是否真的发生了拥塞，或者说TCP报文段是否真的丢失了。
  当发送端如果连续收到3个重复的确认报文段，就认为是拥塞发生了。然后它启用快速重传和快速恢复算法来处理拥塞。过程如下：
1.当收到第三个重复的确认报文段时，按照ssthresh=max(FlightSize/2,2SMSS)计算ssthresh，然后立即重传丢失的报文段，并按照CWND=ssthresh+3SMSS来设置CWND。
2.每次收到一个重复的确认时，设置CWND=CWND+SMSS，此时发送端可以发送新的TCP报文段(如果新的CWND允许的话)。
3.当收到新数据的确认时，设置CWND=ssthresh(是新的慢启动门限值，由第一步计算得到)。
  快速重传和快速恢复之后，拥塞控制将恢复到拥塞避免阶段，这一点由第三步操作可得知。

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TCP

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