TCPIP学习笔记：TCP拥塞控制

TCPIP学习笔记：TCP拥塞控制
简介
拥塞指的是
在某段时间，若对⽹络中某⼀资源的需求超过了该资源所能提供的可⽤部分，⽹络性能就要变坏。

这种情况就叫拥塞
（congestion）。

TCP模块任务：提供⽹络利⽤率，降低丢包率，保证⽹络资源对每条数据的公平性。

---- 拥塞控制
标准⽂档：，介绍了拥塞控制4个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快恢复（fast recovery）。

拥塞控制for linux算法实现，有多种：reno算法、vegas算法、cubic算法等。

部分或全部实现。

查看⽅式(for Ubuntu 14)：
$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control
cubic
我的PC是采⽤cubic算法。

术语介绍
拥塞控制最终受控变量：发送窗⼝（SWND，Send Window）。

也就是说，拥塞控制算法最终是通过控制SWND⼤⼩，来进⾏拥塞控制的。

发送窗⼝
在发送端发送缓存，存在4种类型数据，其中，发送窗⼝SWND是指（2）和（3）
（1）已经发送并且对端确认（Sent/ACKed）---------------发送窗外缓冲区外
（2）已经发送但未收到确认数据（Sent/UnACKed）----------发送窗内缓冲区内
（3）允许发送但尚未发送的数据（Unsent/Inside）---------发送窗内缓冲区内
（4）未发送暂不允许（Unsent/Outside）-----------------发送窗外缓冲区内
发送缓存4种类别数据的⽰意图
接收窗⼝
接收窗⼝指的是TCP报⽂头窗⼝字段，⽤于告诉发送端⾃⼰当前接收缓存⼤⼩。

发送者最⼤段⼤⼩ SMSS
MSS(Maximum Segment Size) TCP最⼤报⽂段长度（），指的是每⼀个TCP报⽂段中的数据字段的最⼤长度。

TCP报⽂段 = 数据字段 + TCP⾸部（20~40Byte）
MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) + sizeof(IPHDR)
MTU：最⼤传输单元（含TCP头部、IP头部）；TCPHDR：TCP报⽂头；IPHDR：IP报⽂头。

MSS与MTU含义见下图：
发送者最⼤段⼤⼩，称为SMSS（Sender Maximum Segment Size）。

如何通告MSS?
MSS的默认值是536byte，因此对端应能接受报⽂段长度是536 + 20（TCP固定⾸部） = 556byte的TCP报⽂。

如果想要改变MSS，就需要在TCP连接时，通过TCP报⽂头可变长的选项（option）字段（1byte类型+1byte长度+不定长内容），告知对端。

注意：MSS是设置好值后，再通告对⽅，⽽⾮与对⽅协商。

SWND⼤⼩的影响
如果SWND太⼩，会引起明显的⽹络延迟；反之，如果SWND太⼤，则容易导致⽹络拥塞。

既然接收窗⼝RWND可以控制发送窗⼝，为何还需要拥塞控制，⽽不直接⽤接收窗⼝进⾏控制？
虽然接收⽅可以通过接收通告窗⼝（RWND），来控制发送端SWND。

但是接收⽅并不知道⽹络拥塞情况，⽆法针对⽹络情况进⾏控制。

因此，发送端引⼊了⼀个称为拥塞窗⼝的（Congestion Windo, CWND）的状态变量。

实际的SWND值是RWND和CWND中较⼩者。

慢启动和拥塞避免
慢启动
TCP连接建⽴OK后，CWND初值IW（Initial Window），⼤⼩2~4SMSS -- 发送端最多能发送IW bytes数据。

此后，发送端每收到接收端的⼀个确认，其CWND就按下式增加：
CWND += min(N, SMSS), 其中，N是此次确认中包含的之前未被确认的字节数（1）
这样，CWND将按指数形式扩⼤，这就是慢启动。

慢启动算法理由：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。

慢启动门限
如果不施加其他⼿段，慢启动必然使得CWND很快膨胀（慢启动并不慢），并最终导致⽹络拥塞。

⽽慢启动门限（slow start threadhold size, ssthresh），就是这样⼀个限制：
当cwnd < ssthresh时，使⽤慢开始算法；
当cwnd > ssthresh时，停⽌慢开始算法，改⽤拥塞避免算法；
当cwnd = ssthresh时，既可以⽤慢开始算法，也可以⽤拥塞避免算法；
ssthresh初始值16。

只要判断出现拥塞时，慢开始门限设为出现拥塞时发送窗⼝swnd的⼀半（但不能<2），然后把拥塞窗⼝cwnd重新设为1，执⾏慢开始算法。

⽬的：迅速减少主机发送到⽹络中的分组数，使得发⽣拥塞时路由器有⾜够时间把队列中积压的分组处理完毕。

拥塞避免算法
CWND按线性⽅式增加，从⽽减缓其扩⼤。

RFC 5681提到2种实现⽅式：
1）每个RTT时间内，按（1）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）每收到⼀对新数据的确认报⽂段，就按式（2）来更新CWND。

CWND += SMSS * SMSS / CWND （2）
下图粗略地描述了慢启动和拥塞避免发⽣的时机和区别。

此外，我们假设当前ssthresh = 16SMSS⼤⼩（实际远不⽌这么⼤）
慢启动和拥塞避免，都是发送端在未检测到拥塞时，所采⽤的积极拥塞避免的⽅法。

下⾯介绍拥塞发⽣时（可能发⽣在慢启动阶段或拥塞避免阶段）拥塞控制的⾏为。

发送端如何判断拥塞发⽣？
传输超时，或者说TCP重传定时器溢出； ---- 拥塞避免
接收到连续3个重复的确认报⽂； ---- 快速重传，快速恢复
拥塞控制对这两种情况有不同的处理⽅式。

第⼀种情况，仍然使⽤慢启动和拥塞避免；第⼆种情况，则使⽤快速重传和快速回复（如果真的发⽣拥塞）。

如果发送端检测到拥塞发⽣是由于传输超时，即上述第⼀种情况，那么它将执⾏重传并做如下调整：
ssthresh = max(FlightSize / 2, 2 * SMSS) （3）
CWMD <= SMSS
其中，FlightSize是已经发送但未收到确认的字节数。

这样调整后，CWMD将⼩于SMSS，那么必然⼩于新的慢启动门限值ssthresh（根据式（3），ssthresh⼀定不⼩于SMSS的2倍），故⽽拥塞控制再次进⼊慢启动阶段。

何为TCP超时重传？
TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认TCP报⽂段。

为此，TCP模块为每个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对⽅的应答，TCP模块将重传TCP报⽂段并重置定时器。

所谓超时，是指定时器 > 最⼤往返时间RTT。

RTT是指⼀个数据报发送到⽬的地，然后到发送⽅收到确认所需的时间，这是测量RTT。

发送报⽂和确认报⽂并⾮数量上的⼀⼀对应，可能发送多次，确认⼀次，也可能是⼀⼀对应。

快速重传和快速恢复
如何通过接收到重复的确认报⽂段，判断⽹络是否真的发⽣拥塞？
发送端接收到重复的确认报⽂段可能情形：TCP报⽂段丢失，接收端收到乱序TCP报⽂段并重排等。

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。

具体做法：
发送端如果连续收到3个重复的确认报⽂段，就认为拥塞发⽣了。

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3个重复的确认报⽂段时，按（3）式计算ssthresh，然后⽴即重传丢失的报⽂，⽽不是等到重传计时器超时，这称为快速重传。

并按式（4）设置CWND
CWND = ssthresh + 3 * SMSS （4）
2）每次收到1个重复的确认时，设置CWND = CWND + SMSS，⽽⾮从慢开始算法的cwnd=1开始。

此时，发送端可以发⽣新的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（ssthresh是新的慢启动门限值，由第⼀步计算得到）
步骤1）称为快速重传，步骤2）3）称为快速恢复。

快速重传和快速恢复完成之后，拥塞控制将恢复到拥塞避免阶段。

这点由第3）步操作可得知。

总结
拥塞控制对象：发送窗⼝SWND. SWND <= min(RWND, CWND)
⽹络出现超时 => 采⽤慢开始算法 + 拥塞避免算法；
⽹络出现重传 => 快速恢复算法；
参考
[1]谢希仁. 计算机⽹络.第5版[M]. 电⼦⼯业出版社, 2008.
[2]游双. Linux⾼性能服务器编程[M]. 机械⼯业出版社, 2013.
[3]Postel J . Transmission control protocol; rfc793[J]. Rfc, 1981.()
[4]Тезисы, Статусдокумента, Авторскиеправа, et al. RFC 5681 TCP Congestion Control. 1996.()。