TCP拥塞控制机制详解：从慢启动到快速恢复

TCP拥塞控制机制详解：从慢启动到快速恢复

TCP（传输控制协议）是互联网中最重要的协议之一，它提供了可靠的数据传输服务。为了在网络拥塞时控制数据传输速率，TCP设计了多种拥塞控制算法。本文将详细介绍TCP的拥塞控制机制，包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等算法。

慢启动算法

慢启动算法的基本思想是：TCP连接建立后，不要急于发送大量数据，而是先探测网络的拥塞程度。拥塞窗口（cwnd）的大小从1开始，每收到一个ACK确认，cwnd就加1。每经过一个往返时间（RTT），cwnd就增加一倍，呈指数增长。如果出现丢包，则cwnd减半，进入拥塞避免阶段。

具体步骤如下：

1. TCP连接完成时，初始化cwnd = 1，表示可以发送一个MSS（最大段大小）单位的数据。
2. 每当收到一个ACK确认，cwnd就加1。
3. 每当过了一个RTT，cwnd就增加一倍。

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢启动阀值ssthresh（slow start threshold）。当cwnd到达该阀值后，就会进入拥塞避免阶段。

拥塞避免算法

拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送窗口的cwnd加1。一般来说，慢启动阀值ssthresh是65535字节，cwnd到达慢启动阀值后：

• 每收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd
• 当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

这是一个线性上升的算法，可以避免过快增长导致网络拥塞。

拥塞发生

当网络拥塞发生丢包时，会有两种情况：

1. RTO（重传超时）超时重传
2. 快速重传

如果是发生了RTO超时重传，就会使用拥塞发生算法：

• 慢启动阀值sshthresh = cwnd /2
• cwnd 重置为 1
• 进入新的慢启动过程

快重传和快恢复

在TCP/IP中，快速重传和恢复（fast retransmit and recovery，FRR）是一种拥塞控制算法，它能快速恢复丢失的数据包。如果没有FRR，如果数据包丢失了，TCP将会使用定时器来要求传输暂停。有了FRR，如果接收机接收到一个不按顺序的数据段，它会立即给发送机发送一个重复确认。如果发送机接收到三个重复确认，它会假定确认件指出的数据段丢失了，并立即重传这些丢失的数据段。

快速重传和恢复算法一般同时使用。快速恢复算法认为，还有3个重复ACK收到，说明网络也没那么糟糕，所以没有必要像RTO超时那么强烈。

进入快速恢复之前，cwnd和sshthresh已被更新：

- cwnd = cwnd /2
- sshthresh = cwnd

然后，真正的快速恢复算法如下：

• cwnd = sshthresh + 3
• 重传重复的那几个ACK（即丢失的那几个数据包）
• 如果再收到重复的ACK，那么cwnd = cwnd +1
• 如果收到新数据的ACK后, cwnd = sshthresh。因为收到新数据的ACK，表明恢复过程已经结束，可以再次进入了拥塞避免的算法了。