TCP的流量控制和拥塞控制
一 TCP的流量控制
1.1 概述
- 一般来说，流量控制就是为了让发送方发送数据的速度慢点，要让接收方来得及接收。
- TCP采用大小可变的滑动窗口机制进行流量控制，窗口大小的单位是字节，这里说的窗口大小其实就是每次传输的数据大小。
- 在通信过程中，接收方根据自己接收缓存的大小，动态地调整发送方的发送窗口大小，即接收窗口rwnd（接收方设置确认报文段的窗口字段来将rwnd通知给发送方），发送方的发送窗口取接收窗口rwnd和拥塞窗口cwnd的最小值。
1.2 流量控制举例
- 设A向B发送数据。在连接建立时，B告诉了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(这里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。（请注意，TCP的窗口单位是字节，不是报文段）再设每一个报文段为100字节长，而数据报文段序号的初始值设为1。大写ACK表示首部中的确认位ACK，小写ack表示确认字段的值ack。
- 接收方使用的是累计确认的机制，对于所有按序到达的报文段，接收方返回一个报文段的肯定回答。如果收到了一个乱序的报文段，那么接收方会直接丢弃，并返回一个最近的按序到达的报文段的肯定回答。使用累计确认保证了返回的确认号之前的报文段都已经按序到达了，所以发送窗口可以移动到已确认报文段的后面。如上图的序号seq=201的报文段丢失了，于是就返回的确认号ack=201，表明在201之前的报文段已经按序到达。
- 从图中可以看出，B进行了三次流量控制。第一次把窗口减少到 rwnd = 300 ，第二次又减到了 rwnd = 100 ，最后减到 rwnd = 0 ，即不允许发送方再发送数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B重新发出一个新的窗口值为止。B向A发送的三个报文段都设置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1时确认号字段才有意义。
- TCP为每一个连接设有一个持续计时器(persistence timer)。只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（携1字节的数据），接收方收到探测报文段时给出现在的窗口值，若窗口仍然是0，那么发送方就重新设置持续计时器。
二 TCP的拥塞控制
1.1 概述
关于拥塞的几个概念
- 出现拥塞的条件：对资源需求的总和大于可用资源。
- 拥塞：网络中有许多资源同时呈现供应不足，导致网络性能变坏，网络吞吐量将随输入负荷增大而下降。
- 拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、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：指点对点通信量的控制，是端到端的问题。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。
- 拥塞控制代价：需要获得网络内部流量分布的信息。在实施拥塞控制之前，还需要在结点之间交换信息和各种命令，以便选择控制的策略和实施控制。这样就产生了额外的开销。拥塞控制还需要将一些资源分配给各个用户单独使用，使得网络资源不能更好地实现共享。
拥塞控制的几种机制
- 慢启动（慢开始）
- 拥塞避免
- 快速重传
- 快速恢复
1.2 慢开始和拥塞避免
（1）慢启动（慢开始）
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在开始发送的时候设置cwnd = 1（cwnd指的是拥塞窗口）
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思路：开始的时候不要发送大量数据，而是先测试一下网络的拥塞程度，由小到大增加拥塞窗口的大小。
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为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，设置一个慢开始门限(ssthresh 状态变量)
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- 当cnwd < ssthresh，使用慢开始算法
- 当cnwd = ssthresh，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法
- 当cnwd > ssthresh，使用拥塞避免算法
（2）拥塞避免
- 拥塞避免未必能够完全避免拥塞，是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性增长，使网络不容易出现阻塞。
- 思路： 让拥塞窗口cwnd缓慢的增大，即每经过一个返回时间RTT就把发送方的拥塞控制窗口加一
- 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，就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。
- 其中，判断网络出现拥塞的根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理。
1.3 快重传和快恢复
（1）快速重传
- 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)。发送方只要连续收到三个重复确认就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。
- 由于不需要等待设置的重传计时器到期，能尽早重传未被确认的报文段，能提高整个网络的吞吐量。
（2）快速恢复
- 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。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的大小，然后执行拥塞避免算法。
- 上图给出了快重传和快恢复的示意图，并标明了“TCP Reno版本”。区别：新的 TCP Reno 版本在快重传之后采用快恢复算法而不是采用慢开始算法。
在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。
采用这样的拥塞控制方法使得TCP的性能有明显的改进。
接收方根据自己的接收能力设定了接收窗口rwnd，并把这个窗口值写入TCP首部中的窗口字段，传送给发送方。因此，接收窗口又称为通知窗口。因此，从接收方对发送方的流量控制的角度考虑，发送方的发送窗口一定不能超过对方给出的接收窗口rwnd 。
? 发送方窗口的上限值 = Min [ rwnd, cwnd ]
? 当rwnd < cwnd时，是接收方的接收能力限制发送方窗口的最大值。
? 当cwnd < rwnd时，则是网络的拥塞限制发送方窗口的最大值。