TCP 的拥塞控制和流量控制

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37379780

1. 流量控制

1.1 什么是流量控制？流量控制的目的？

如果发送者发送数据过快，接收者来不及接收，那么就会有分组丢失。为了避免分组丢失，控制发送者的发送速度，使得接收者来得及接收，这就是流量控制。流量控制根本目的是防止分组丢失，它是构成 TCP 可靠性的一方面。

1.2 如何实现流量控制？

由滑动窗口协议（连续 ARQ 协议）实现。滑动窗口协议既保证了分组无差错、有序接收，也实现了流量控制。主要的方式就是接收方返回的 ACK 中会包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小来控制发送方的数据发送。

1.3 流量控制引发的死锁？怎么避免死锁的发生？

当发送者收到了一个窗口为 0 的应答，发送者便停止发送，等待接收者的下一个应答。但是如果这个窗口不为 0 的应答在传输过程丢失，发送者一直等待下去，而接收者以为发送者已经收到该应答，等待接收新数据，这样双方就相互等待，从而产生死锁。

为了避免流量控制引发的死锁，TCP 使用了持续计时器。每当发送者收到一个零窗口的应答后就启动该计时器。时间一到便主动发送报文询问接收者的窗口大小。若接收者仍然返回零窗口，则重置该计时器继续等待；若窗口不为 0，则表示应答报文丢失了，此时重置发送窗口后开始发送，这样就避免了死锁的产生。

2. 拥塞控制与流量控制的区别

拥塞控制：拥塞控制是作用于网络的，它是防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况；常用的方法就是：（ 1 ）慢开始、拥塞避免（ 2 ）快重传、快恢复。

流量控制：流量控制是作用于接收者的，它是控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失的。

3. 拥塞控制的算法

我们在开始假定：1、数据是单方向传递，另一个窗口只发送确认；2、接收方的缓存足够大，因此发送方的大小的大小由网络的拥塞程度来决定。

3.1 慢开始算法

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。

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作为拥塞窗口的大小举例说明慢开始算法，实际的拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

图片说明

从上图可以看到，一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT，而且没经过一个传输轮次（transmission round），拥塞窗口 cwnd 就加倍。

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：

当 cwnd<ssthresh 时，使用慢开始算法。
当 cwnd>ssthresh 时，改用拥塞避免算法。
当 cwnd=ssthresh 时，慢开始与拥塞避免算法任意

注意，这里的“慢”并不是指 cwnd 的增长速率慢，而是指在 TCP 开始发送报文段时先设置 cwnd=1，然后逐渐增大，这当然比按照大的 cwnd 一下子把许多报文段突然注入到网络中要“慢得多”。

3.2 拥塞避免算法

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（其根据就是没有按时收到确认，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ssthresh 设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口 cwnd 重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

整个拥塞控制的流程如下图：

图片说明

（1）拥塞窗口 cwnd 初始化为1个报文段，慢开始门限初始值为16

（2）执行慢开始算法，指数规律增长到第4轮，即 cwnd=16=ssthresh，改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长

（3）假定 cwnd=24 时，网络出现超时（拥塞），则更新后的 ssthresh=12，cwnd 重新设置为1，并执行慢开始算法。当 cwnd=12=ssthresh 时，改为执行拥塞避免算法

关于乘法减小（Multiplicative Decrease）和加法增大（Additive Increase）：

“乘法减小”指的是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ssthresh 设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半，并执行慢开始算法，所以当网络频繁出现拥塞时，ssthresh下降的很快，以大大减少注入到网络中的分组数。“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，使拥塞窗口缓慢增大，以防止过早出现拥塞。常合起来成为 AIMD 算法。

注意：“拥塞避免”并非完全能够避免了阻塞，而是使网络比较不容易出现拥塞。