TCP 拥塞控制算法
xzxkag 2019-07-01
最近花了些时间在学习TCP/IP协议上，首要原因是由于本人长期以来对TCP/IP的认识就只限于三次握手四次分手上，所以希望深入了解一下。再者，TCP/IP和Linux系统层级的很多设计都可以用于中间件系统架构上，比如说TCP 拥塞控制算法也可以用于以响应时间来限流的中间件。更深一层，像TCP/IP协议这种基础知识和原理性的技术，都是经过长时间的考验的，都是前人智慧的结晶，可以给大家很多启示和帮助。
本文中会出现一些缩写，因为篇幅问题，无法每个都进行解释，如果你不明白它的含义，请自己去搜索了解，做一个主动寻求知识的人。
TCP协议有两个比较重要的控制算法，一个是流量控制，另一个就是阻塞控制。
TCP协议通过滑动窗口来进行流量控制，它是控制发送方的发送速度从而使接受者来得及接收并处理。而拥塞控制是作用于网络，它是防止过多的包被发送到网络中，避免出现网络负载过大，网络拥塞的情况。
拥塞算法需要掌握其状态机和四种算法。拥塞控制状态机的状态有五种，分别是Open，Disorder，CWR，Recovery和Loss状态。四个算法为慢启动，拥塞避免，拥塞发生时算法和快速恢复。
Congestion Control State Machine
和TCP一样，拥塞控制算法也有其状态机。当发送方收到一个Ack时，Linux TCP通过状态机(state)来决定其接下来的行为，是应该降低拥塞窗口cwnd大小，或者保持cwnd不变，还是继续增加cwnd。如果处理不当，可能会导致丢包或者超时。
1 Open状态
Open状态是拥塞控制状态机的默认状态。这种状态下，当ACK到达时，发送方根据拥塞窗口cwnd(Congestion Window)是小于还是大于慢启动阈值ssthresh(slow start threshold)，来按照慢启动或者拥塞避免算法来调整拥塞窗口。
2 Disorder状态
当发送方检测到DACK(重复确认)或者SACK(选择性确认)时，状态机将转变为Disorder状态。在此状态下，发送方遵循飞行(in-flight)包守恒原则，即一个新包只有在一个老包离开网络后才发送，也就是发送方收到老包的ACK后，才会再发送一个新包。
3 CWR状态
发送方接收到一个拥塞通知时，并不会立刻减少拥塞窗口cwnd，而是每收到两个ACK就减少一个段，直到窗口的大小减半为止。当cwnd正在减小并且网络中有没有重传包时，这个状态就叫CWR(Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少)状态。CWR状态可以转变成Recovery或者Loss状态。
4 Recovery状态
当发送方接收到足够(推荐为三个)的DACK(重复确认)后，进入该状态。在该状态下，拥塞窗口cnwd每收到两个ACK就减少一个段(segment)，直到cwnd等于慢启动阈值ssthresh，也就是刚进入Recover状态时cwnd的一半大小。
发送方保持 Recovery 状态直到所有进入 Recovery状态时正在发送的数据段都成功地被确认，然后发送方恢复成Open状态，重传超时有可能中断 Recovery 状态，进入Loss状态。
5 Loss状态
当一个RTO(重传超时时间)到期后，发送方进入Loss状态。所有正在发送的数据标记为丢失，拥塞窗口cwnd设置为一个段(segment)，发送方再次以慢启动算法增大拥塞窗口cwnd。
Loss 和 Recovery 状态的区别是:Loss状态下，拥塞窗口在发送方设置为一个段后增大，而 Recovery 状态下，拥塞窗口只能被减小。Loss 状态不能被其他的状态中断，因此，发送方只有在所有 Loss 开始时正在传输的数据都得到成功确认后，才能退到 Open 状态。
四大算法
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。
慢热启动算法 – Slow Start
所谓慢启动，也就是TCP连接刚建立，一点一点地提速，试探一下网络的承受能力，以免直接扰乱了网络通道的秩序。
慢启动算法：
1) 连接建好的开始先初始化拥塞窗口cwnd大小为1，表明可以传一个MSS大小的数据。
2) 每当收到一个ACK，cwnd大小加一，呈线性上升。
3) 每当过了一个往返延迟时间RTT(Round-Trip Time)，cwnd大小直接翻倍，乘以2，呈指数让升。
4) 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”（后面会说这个算法）
拥塞避免算法 – Congestion Avoidance
如同前边说的，当拥塞窗口大小cwnd大于等于慢启动阈值ssthresh后，就进入拥塞避免算法。算法如下：
1) 收到一个ACK，则cwnd = cwnd + 1 / cwnd
2) 每当过了一个往返延迟时间RTT，cwnd大小加一。
过了慢启动阈值后，拥塞避免算法可以避免窗口增长过快导致窗口拥塞，而是缓慢的增加调整到网络的最佳值。
拥塞状态时的算法
一般来说，TCP拥塞控制默认认为网络丢包是由于网络拥塞导致的，所以一般的TCP拥塞控制算法以丢包为网络进入拥塞状态的信号。对于丢包有两种判定方式，一种是超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时，另一个是收到三个重复确认ACK。
超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。
但是如果发送端接收到3个以上的重复ACK，TCP就意识到数据发生丢失，需要重传。这个机制不需要等到重传定时器超时，所以叫
做快速重传，而快速重传后没有使用慢启动算法，而是拥塞避免算法，所以这又叫做快速恢复算法。
超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时，TCP会重传数据包。TCP认为这种情况比较糟糕，反应也比较强烈：
- 由于发生丢包，将慢启动阈值ssthresh设置为当前cwnd的一半，即ssthresh = cwnd / 2.
- cwnd重置为1
- 进入慢启动过程
最为早期的TCP Tahoe算法就只使用上述处理办法，但是由于一丢包就一切重来，导致cwnd又重置为1，十分不利于网络数据的稳定传递。
所以，TCP Reno算法进行了优化。当收到三个重复确认ACK时，TCP开启快速重传Fast Retransmit算法，而不用等到RTO超时再进行重传：
- cwnd大小缩小为当前的一半
- ssthresh设置为缩小后的cwnd大小
- 然后进入快速恢复算法Fast Recovery。
快速恢复算法 – Fast Recovery
TCP Tahoe是早期的算法，所以没有快速恢复算法，而Reno算法有。在进入快速恢复之前，cwnd和ssthresh已经被更改为原有cwnd的一半。快速恢复算法的逻辑如下：
- cwnd = cwnd + 3 MSS，加3 MSS的原因是因为收到3个重复的ACK。
- 重传DACKs指定的数据包。
- 如果再收到DACKs，那么cwnd大小增加一。
- 如果收到新的ACK，表明重传的包成功了，那么退出快速恢复算法。将cwnd设置为ssthresh，然后进入拥塞避免算法。
如图所示，第五个包发生了丢失，所以导致接收方接收到三次重复ACK，也就是ACK5。所以将ssthresh设置当当时cwnd的一半，也就是6/2 = 3，cwnd设置为3 + 3 = 6。然后重传第五个包。当收到新的ACK时，也就是ACK11，则退出快速恢复阶段，将cwnd重新设置为当前的ssthresh，也就是3，然后进入拥塞避免算法阶段。
后记
本文为大家大致描述了TCP拥塞控制的一些机制，但是这些拥塞控制还是有很多缺陷和待优化的地方，业界也在不断推出新的拥塞控制算法，比如说谷歌的BBR。这些我们后续也会继续探讨，请大家继续关注。
个人博客：Remcarpediem
