淺談TCP擁塞控制算法

TCP/IP和Linux系統(tǒng)層級的很多設計都可以用于中間件系統(tǒng)架構上，比如說TCP擁塞控制算法也可以用在以響應時間來限流的中間件上。像TCP/IP協(xié)議這種技術，都是經過長時間的考驗的，都是前人智慧的結晶，學習后可以給大家很多啟示和幫助。

TCP協(xié)議有兩個比較重要的控制算法，一個是流量控制，另一個就是擁塞控制。

TCP協(xié)議通過滑動窗口來進行流量控制，它是控制發(fā)送方的發(fā)送速度從而使接受者能及時接收并處理數(shù)據(jù)包（以下簡稱包）。而擁塞控制作用于整體網絡，它是防止過多的包被發(fā)送到網絡中，避免出現(xiàn)網絡負載過大，出線網絡擁塞的情況。

了解擁塞控制算法需要掌握其狀態(tài)機和四種算法。擁塞控制狀態(tài)機有五種，分別是Open、Disorder、CWR、Recovery和Loss狀態(tài)。四個算法為慢啟動、擁塞避免、擁塞發(fā)生時算法和快速恢復。

※擁塞控制狀態(tài)機

和TCP一樣，擁塞控制算法也有其狀態(tài)。當發(fā)送方收到一個ACK時，LinuxTCP通過狀態(tài)機的狀態(tài)來決定其接下來的行為，是應該降低擁塞窗口cwnd（CongestionWindow）值，或者保持cwnd不變，還是繼續(xù)增加cwnd。如果處理不當，可能會導致丟包或者超時。

1.Open狀態(tài)

Open狀態(tài)是擁塞控制狀態(tài)機的默認狀態(tài)。這種狀態(tài)下，當ACK到達時，發(fā)送方根據(jù)擁塞窗口cwnd是小于還是大于慢啟動閾值ssthresh（slowstartthreshold），來按照慢啟動或者擁塞避免算法來調整擁塞窗口。

2.Disorder狀態(tài)

當發(fā)送方檢測到DACK（重復確認）或者SACK（選擇性確認）時，狀態(tài)機將轉變?yōu)镈isorder狀態(tài)。在此狀態(tài)下，發(fā)送方遵循飛行（in-flight）包守恒原則，即一個新包只有在一個舊包離開網絡后才發(fā)送，也就是發(fā)送方收到舊包的ACK后，才會再發(fā)送一個新包。

3.CWR狀態(tài)

發(fā)送方接收到一個顯示擁塞通知時，并不會立刻減少擁塞窗口cwnd，而是每收到兩個ACK就減少一個段，直到窗口的大小減半為止。當cwnd正在減小并且網絡中有沒有重傳包時，這個狀態(tài)就叫CWR（CongestionWindowReduced，擁塞窗口減少）狀態(tài)。CWR狀態(tài)可以轉變成Recovery或者Loss狀態(tài)。

4.Recovery狀態(tài)

當發(fā)送方接收到足夠（推薦為三個）的DACK（重復確認）后，進入該狀態(tài)。在該狀態(tài)下，擁塞窗口cnwd每收到兩個ACK就減少一個段（segment），直到cwnd等于慢啟動閾值ssthresh，也就是剛進入Recover狀態(tài)時cwnd的一半大小。發(fā)送方保持Recovery狀態(tài)直到所有進入Recovery狀態(tài)時正在發(fā)送的數(shù)據(jù)段都成功地被確認，然后發(fā)送方恢復成Open狀態(tài)，重傳超時有可能中斷Recovery狀態(tài)，進入Loss狀態(tài)。

5.Loss狀態(tài)

當一個RTO（重傳超時時間）到期后，發(fā)送方進入Loss狀態(tài)。所有正在發(fā)送的數(shù)據(jù)標記為丟失，擁塞窗口cwnd設置為一個段（segment），發(fā)送方再次以慢啟動算法增大擁塞窗口cwnd。

Loss和Recovery狀態(tài)的區(qū)別是，Loss狀態(tài)下?lián)砣翱谠诎l(fā)送方設置為一個段后增大，而Recovery狀態(tài)下?lián)砣翱谥荒鼙粶p小。Loss狀態(tài)不能被其他的狀態(tài)中斷，因此，發(fā)送方只有在所有Loss狀態(tài)開始時正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都得到成功確認后，才能退到Open狀態(tài)。

※四大算法

擁塞控制主要是四個算法：慢啟動、擁塞避免、擁塞發(fā)生、快速恢復。這個四算法的發(fā)展經歷了很多時間，直到今天都還在優(yōu)化中。

1.慢啟動算法（SlowStart）

所謂慢啟動，也就是TCP連接剛建立，一點一點地提速，試探一下網絡的承受能力，以免直接擾亂了網絡通道的秩序。

（1）連接建好的，開始先初始化擁塞窗口，cwnd值大小為1，表明可以傳一個MSS大小的數(shù)據(jù);

（2）每當收到一個ACK，cwnd值加1，呈線性上升;

（3）每當過了一個往返延遲時間RTT（Round-TripTime），cwnd值直接翻倍，呈指數(shù)讓升;

（4）還有一個ssthresh（slowstartthreshold），是一個上限，當cwnd≥ssthresh時，就會進入“擁塞避免算法”。

2.擁塞避免算法（CongestionAvoidance）

如同前邊所說的，當擁塞窗口大小cwnd大于等于慢啟動閾值ssthresh后，就進入擁塞避免算法。算法如下：

收到一個ACK，則cwnd=cwnd+1/cwnd，每當過了一個往返延遲時間RTT，cwnd值加1。過了慢啟動閾值后，擁塞避免算法可以避免窗口增長過快導致窗口擁塞，而是緩慢地增加調整到網絡的最佳值。

3.擁塞狀態(tài)時的算法

一般來說，TCP擁塞控制默認網絡丟包是由于網絡擁塞導致的，所以一般的TCP擁塞控制算法以丟包為網絡進入擁塞狀態(tài)的信號。對于丟包有兩種判定方式，一種是超時重傳RTO（RetransmissionTimeout）超時，另一個是收到三個重復確認ACK。

超時重傳是TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)可靠性的一個重要機制，其原理是在發(fā)送一個數(shù)據(jù)以后就開啟一個計時器，在一定時間內如果沒有得到發(fā)送數(shù)據(jù)報的ACK報文，那么就重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功為止。

但是如果發(fā)送端接收到3個以上的重復ACK，TCP就意識到數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，需要重傳。這個機制不需要等到重傳定時器超時，所以叫作快速重傳，而快速重傳后沒有使用慢啟動算法，而是使用擁塞避免算法，所以這又叫作快速恢復算法。

超時重傳RTO超時，TCP會重傳數(shù)據(jù)包。TCP認為這種情況比較糟糕，反應也比較強烈：

（1）由于發(fā)生丟包，將慢啟動閾值ssthresh設置為當前cwnd的一半，即ssthresh=cwnd/2;

（2）cwnd重置為1;

（3）進入慢啟動過程。

最為早期的TCPTahoe算法就是使用上述處理

辦法，但是由于一丟包就一切重來，導致cwnd重置為1，十分不利于網絡數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳遞。

所以，TCPReno算法進行了優(yōu)化。當收到3個重復確認ACK時，TCP就開啟快速重傳算法，而不用等到RTO超時再進行重傳：

（1）cwnd大小縮小為當前的一半;（2）ssthresh設置為縮小后的cwnd值;（3）然后進入快速恢復算法（FastRecovery）。

4.快速恢復算法（FastRecovery）

TCPTahoe是早期的算法，所以沒有快速恢復算法，而Reno算法有。在進入快速恢復之前，cwnd和ssthresh已經被更改為原有cwnd的一半?？焖倩謴退惴ǖ倪壿嬋缦拢?/p>

（1）cwnd=cwnd+3*MSS，加3*MSS的原因是因為收到3個重復的ACK;

（2）重傳DACKs指定的數(shù)據(jù)包;（3）如果再收到DACKs，那么cwnd值增加1;（4）如果收到新的ACK，表明重傳的包成功了，

那么退出快速恢復算法。將cwnd設置為ssthresh，然如圖4所示，當?shù)?個包發(fā)生了丟失，所以導致接收方接收到3個重復ACK，也就是ACK5。所以將ssthresh設置為當時cwnd的一半，也就是6/2=3，cwnd設置為3+3=6。然后重傳第5個包。當收到新的ACK時，也就是ACK11，則退出快速恢復階段，將cwnd重新設置為當前的ssthresh，也就是3，然后進入擁塞避免算法階段。

本文為大家大致描述了TCP擁塞控制的一些機制，但是這些擁塞控制還是有很多缺陷和待優(yōu)化的地方，業(yè)界也在不斷推出新的擁塞控制算法，比如說谷歌的BBR。這些我們以后也會繼續(xù)探討，請大家繼續(xù)關注。