TCP的拥塞控制

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网络拥塞的原因与危害

网络拥塞（congestion control）是由发送方的发送速率（transmission rate）过高引起的，会导致网络资源没有被充分利用，影响带宽和延时性能

我们假设有这样一种场景：有两台主机A和B，它们分别与目标主机创建了TCP连接，A和B的传输路径上共享了一个路由器，A和B都以v bytes/s的速率发数据，数据包到达该路由器后，通过同一个链路（outgoing link）转发到目标主机，该链路的最大容量为R。路由器的链路以最大容量在传输数据时，如果路由器还收到新的包，会将其缓存在路由器中。

基于上述场景，有以下情况会引起A的发送速率过高，从而引起网络拥塞：

  1. 随着A主机发送速率接近R/2的链路容量，进入路由器缓存队列的数据包也会越来越多，数据包的排队延时越长。
  2. 当路由器缓存满了，新到达的数据包会被丢弃，此时发送方会超时重传，会引起实际带宽的下降，大概会下降至R/3。
  3. 当A的超时时间设置的太短，会引起不必要的重传（路由器排队队列中的包和重传的包都到达了目标主机），从而进一步降低了网络带宽。
  4. 在更复杂的场景中，所有主机都以满速率发数据时，每个主机占用了离它更近的路由器的全部缓存队列，其它主机的数据包会被路由丢弃永远无法送达目标主机，浪费了所有上游链路路由器的带宽资源。

流量控制是避免发送方的数据填满接收方的缓存，但是并不知道网络中发生了什么。拥塞控制的目的是避免发送方的数据填满整个网络。为了在发送方调节所要发送数据的量，定义了一个叫做拥塞窗口的概念。

TCP拥塞控制算法

TCP使用的是端到端的拥塞控制，不依靠网络层进行辅助，IP层不向端系统提供显式的网络拥塞反馈。发送方根据所感知到的网络拥塞程度来限制发送速率，如果发送方感知从它到目的地之间的路径上没什么拥塞，则TCP发送方增加发送速率，反之降低发送速率。

首先，需要定义发送方如何感知它与目标主机之间的路径上出现了拥塞：超时或收到来自接收方的3个冗余ACK。

随后，当发送方感知到拥塞后，需要限制发送速率，这是通过在发送方维护一个拥塞窗口(cwnd)实现的。在发送方中未被确认的数据量不会超过cwnd与rwnd中的最小值，即：

1
LastByteSent - LastByteAcked <= min(cwnd, rwnd)

当发送方收到来自接收方的ACK，会增加cwnd，加速发送速率，反之减少cwnd。

慢启动（slow start）

在TCP连接建立的一开始，cwnd的值被初始化为MSS，因此发送速率为MSS/RTT，此外还设置了ssthresh参数。在慢启动阶段，TCP协议主要工作是找到最大可用的发送速率，每收到第一个ACK，cwnd += MSS。因此，如果一切顺利的话，每经过一个RTT，cwnd翻一翻，按照指数级增长。

但是发送速率无法持续增加，在以下几种情况下会发生状态转移：

  1. 当遇到超时事件时，TCP将cwnd重置为1 MSS，并将ssthresh = cwnd/2。

  2. 当收到3个冗余ACK，TCP执行快速重传，并进入快速恢复状态。

  3. 当cwnd >= ssthresh时，结束慢启动，并进入到拥塞避免状态。

拥塞控制状态机

拥塞避免

在拥塞避免状态，TCP会更加谨慎地增加cwnd，因为进入拥塞避免状态意味着cwnd的值大约是上次遇到拥塞时的值的一半，距离拥塞也不远了。此时，每个RTT只将cwnd的值增加一个MSS，而不是翻一倍。

此时如果遇到超时事件，cwnd的值被重置为1个MSS，ssthresh = cwnd/2，回到慢启动状态。

如果碰到3到冗余ACK，说明网络状况没有那么差，TCP将cwnd = cwnd/2+3MSS,ssthresh = cwnd/2，并进入到快速恢复状态。

快速恢复

快速恢复状态仍然以线性的速度增长cwnd，直至到达ssthresh阈值，进入拥塞避免状态。

其它拥塞控制算法

在Infiniband协议中，采用明确的拥塞通告机制，网络层设备会明确地在网络层数据头中添加拥塞信息，接收方在ACK报文中设置ECN比特，发送方在下一次发送报文中设置ECE，并减半cwnd。