TCP拥塞控制

如果网络上的延时突然增加，那么，TCP 对这个事做出的应对只有重传数据，但是，重传会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，进入恶性循环被不断地放大。 如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事，那么马上就会形成网络风暴，TCP 这个协议就会拖垮整个网络。

所以，TCP 不能忽略网络上发生的事情，而无脑地一个劲地重发数据，对网络造成更大的伤害。对此 TCP 的设计理念是：TCP 不是一个自私的协议，当拥塞发生的时候，要做自我牺牲，类似于熔断的概念。就像交通阻塞一样，每个车都应该把路让出来，不要再去抢路了。

关于拥塞控制的论文请参看《Congestion Avoidance and Control》(PDF)

拥塞控制主要是四个算法：1. 慢启动，2. 拥塞避免，3. 拥塞发生，4. 快速恢复。这四个算法不是一天都搞出来的，这个四算法的发展经历了很多时间，到今天都还在优化中。

  1. 慢启动：刚加入网络的连接，滑动窗口较小。每过一个 RTT，窗口大小翻倍

  2. 拥塞避免：窗口到达阈值后，每过一个 RTT，大小只+1

  3. 拥塞处理：发生超时时，阈值设为窗口大小的一般，窗口重置为1，重新开始慢启动

慢热启动算法 – Slow Start

慢启动的意思是，刚刚加入网络的连接，以一个较低的速度开始传输，一点一点地提速。

慢启动的算法如下 (cwnd 全称 Congestion Window，拥塞窗口，表示可以并行发送的包的窗口大小)：

  1. 连接建好时先初始化 cwnd = 1，表明可以传一个 MSS 大小的数据。

  2. 每当收到一个 ACK，cwnd++；呈线性上升

  3. 每当过了一个 RTT，cwnd = cwnd*2；呈指数上升

  4. 还有一个慢启动阈值 ssthresh（slow start threshold），当 cwnd >= ssthresh 时，就会进入 "拥塞避免算法"

如果网速很快的话，RTT 会短，那么，这个慢启动就一点也不慢，新加入的连接很快就能到达峰速：

Linux 2.6 下，cwnd 是跟 MSS 的值来变的，如果 MSS< 1095，则 cwnd = 4；如果 MSS>2190，则 cwnd=2；其它情况下，则是 3

Linux 3.0 下，cwnd 初始值为 10

拥塞避免算法 – Congestion Avoidance

前面说过，还有一个 ssthresh (slow start threshold)，是一个上限，当 cwnd >= ssthresh 时，就会进入 "拥塞避免算法"。一般来说 ssthresh 的值是 65535，单位是字节，当 cwnd 达到这个阈值后，算法如下：

  1. 收到一个 ACK 时，cwnd = cwnd + 1/cwnd

  2. 当每过一个 RTT 时，cwnd = cwnd + 1

这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法

前面我们说过，当丢包的时候，会有两种情况：

  1. 等到 RTO 超时，重传数据包。TCP 认为这种情况太糟糕，反应也很强烈。

    1. sshthresh = cwnd /2

    2. cwnd 重置为 1

    3. 进入慢启动过程

  2. 快速重传算法，也就是在收到3个 duplicate ACK 时就开启重传，而不用等到 RTO 超时。

    1. TCP Tahoe 的实现和 RTO 超时一样。

    2. TCP Reno 的实现是：

      1. sshthresh = cwnd / 2

      2. cwnd = sshthresh + 3 * MSS

      3. 进入快速重传算法 Fast Recovery

我们可以看到 RTO 超时后，sshthresh 会变成 cwnd 的一半。这意味着，如果是 cwnd <= sshthresh 时出现的丢包，那么 TCP 的 sshthresh 就会减掉一半，然后等 cwnd 又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，又会慢慢的线性增涨。可以看到，TCP 是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

参考

陈皓 - TCP 的那些事儿（上）

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