TCP中的流量控制和拥塞控制机制
一. 流量控制
1. 流量控制和拥塞控制两者区别
- 流量控制：是端到端的控制，例如A通过网络给B发数据，A发送的太快导致B没法接收(B缓冲窗口过小或者处理过慢)，这时候的控制就是流量控制，原理是通过滑动窗口的大小改变来实现。
概念：流量控制用于防止在端口阻塞的情况下丢帧，这种方法是当发送或接收缓冲区开始溢出时通过将阻塞信号发送回源地址实现的。流量控制可以有效的防止由于网络中瞬间的大量数据对网络带来的冲击，保证用户网络高效而稳定的运行。
- 拥塞控制：是A与B之间的网络发生堵塞导致传输过慢或者丢包，来不及传输。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至于过载。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络性能有关的所有因素。
概念：网络拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多,使得该部分网络来不及处理,以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象,严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿,即出现死锁现象。拥塞控制是处理网络拥塞现象的一种机制。
2. TCP利用滑动窗口实现流量控制
- 所谓流量控制就是让发送发送速率不要过快，让接收方来得及接收。TCP利用滑动窗口机制实现流量控制。
- TCP以字节（而非包）为单位来维护其窗口结构，每个TCP活动连接的两端维护一个发送窗口和接收窗口结构。
- TCP的滑动窗口主要有两个作用：① 提供TCP的可靠性 ② 提供TCP的流控特性。
- 发送窗口：有三个术语用于描述窗口左右边界运动
①关闭：窗口左边界右移。当已发送的数据收到ACK时发生，窗口减小。
②打开：窗口右边界右移，可发送数据量增大。当ACK时，确认数据得到处理，接收端可用缓存变大时发生，窗口也变大。
③收缩：窗口右边界左移。
- 接收窗口：比发送窗口简单。用于记录已接收并确认过的数据、能够接收的最大序列号。
发送窗口与接收窗口关系：TCP是双工的协议，会话的双方都可以同时接收、发送数据。TCP会话的双方都各自维护一个“发送窗口”和一个“接收窗口”。其中各自的“接收窗口”大小取决于应用、系统、硬件的限制（TCP传输速率不能大于应用的数据处理速率）。各自的“发送窗口”则要求取决于对端通告的“接收窗口”，要求相同。
- 接收方若没有缓存足够使用，就会发送零窗口大小的报文，此时发送放将发送窗口设置为0，停止发送数据。之后接收方有足够的缓存，发送了非零窗口大小的报文，但是这个报文在中途丢失的，那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。
解决这个问题，TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小（注：TCP规定，即使设置为零窗口，也必须接收以下几种报文段：零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段）。
二. 拥塞控制
1. 简介
- 拥塞现象：是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。
- 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。
- TCP拥塞控制的难点：判断什么时候需要减缓和如何减缓TCP传输、什么时候恢复其原有速度。
典型的TCP判断拥塞：用丢包作为判断拥塞发生与否的指标，衡量是否实施相应的措施。 - 几种拥塞控制方法：
①慢开始（slow-start）
②拥塞避免（congestion avoidance）
③快重传（fast retransmit）
④快恢复（fast recovery）
2. 慢开始和拥塞避免
- 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。
- 发送端实际可用的窗口：接收端通知窗口（流量控制中的发送窗口）和拥塞窗口中的较小者。
- 发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。
①慢开始（or慢启动）
- 先看一个通俗解释（来自知乎）：
亚当隔着山头扔玉米棒子给夏娃。亚当不知道夏娃能接多快，于是一次扔1个，编号为1。
夏娃喊2，意思是老娘1号玉米棒子已经收到，准备迎接2号玉米棒子。亚当一次扔2个，编号为2、3。
夏娃喊4，准备迎接更多的玉米棒子。亚当一次扔4个，编号为4、5、6、7。
夏娃喊8，意思是让玉米棒子来得更猛烈些吧！亚当一次扔8个，编号为8、9、…15。
夏娃嘴里一直重复喊编号12，次数为3次。
这里传达以下信息：8-11号玉米棒子已经安全到达12号玉米棒子肯定丢了13、14、15号玉米棒子也应该安全到达，否则夏娃只会喊一次12，是13、14、15号玉米触发夏娃重复的叫喊。亚当意识到自己扔太快了，需要降速，降到多少合适呢？
降一半，一次扔4个没有问题。
if ( dupacks >= 3 ) {
ssthresh = max( 2 , cwnd / 2 ) ;
}这里cwnd =8，所以ssthresh=4。
注释：ssthresh (Slow Start Threshold)，慢启动的峰值线，一旦超过该峰值线，则进入拥塞避免。
- 慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。
- 这里用报文段的个数的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：
当然收到单个确认但此确认多个数据报的时候就加相应的数值。所以一次传输轮次之后拥塞窗口就加倍。这就是乘法增长，和后面的拥塞避免算法的加法增长比较。
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ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下：
1). 当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法。
2). 当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。
3). 当cwnd=ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意。
②拥塞避免
- 亚当意识到一次扔4个安全，于是选择以cwnd = ssthresh=4为基准线，如果一次扔4个没有问题，那就一次扔5个、6个，线性增长到夏娃的接收极限。
- RTT（Round-Trip Time） ：往返时间。是指一个报文段从发出去到收到此报文段的ACK所经历的时间。通常一个报文段的RTT与传播时延和发送时延两个因素相关。
- 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。
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（其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），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。如下图：
- 再次提醒这里只是为了讨论方便而将拥塞窗口大小的单位改为数据报的个数，实际上应当是字节。
3. 快重传和快恢复
- 继续看通俗解释：
跟着前面的例子，外面至少还有3个发出的玉米棒子还没有确认（Outstanding Packet）。
如果将cwnd = ssthresh=4则意味着亚当最多一次可以扔四个玉米。
但3个发出却没有确认的玉米棒子占了3个名额，所以亚当最多一次只能扔一个玉米棒子。
发送速率急剧下降，这不合理。快速重传
既然收到夏娃三次重复的确认，说明丢的玉米棒子（12）后的3个已经成功接收，不在空中飞（Flight）。
这3个虽然还没有明确地确认，但已经隐含地确认了，所以这3个玉米棒子不应该占据在空中飞玉米的数量。
在空中飞的玉米应该是4个，再加上到达夏娃的3个，所以亚当的cwnd (Congestion Window）应该为7个。
cwnd = ssthresh + 3 * SMSS= 4+3=7 - 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）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。如下图：
- 快重传配合使用的还有快恢复算法，有以下两个要点:
①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。
②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。如下图：
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