5.7 TCP 的拥塞控制

当网络中数据量超过了设备的处理能力时，则称发生了网络拥塞。此时会导致数据报的丢失等情况，会导致数据传输效率降低，用户体验变差。

网络拥塞可以发生在网络的任何地方，包括但不限于路由器、交换机、用户端设备等。

（P241 5.8.2）当分组丢失后，TCP 会发生超时重传，此时 TCP 即认为可能发生了网络拥塞。即：只要出现了超时重传，TCP 就认为发生了网络拥塞。

发送方维护一个拥塞窗口 cwnd（Congestion Window），真正的发送窗口取对方接收窗口和我方拥塞窗口之间的最小值。此节中假设接收方接收窗口无限大，且数据发送时单向的，即此节仅讨论一个理想情况：发送窗口仅取决于拥塞窗口、接收方仅发送确认报文。

此节为讨论方便，拥塞发送窗口和发送的数据单位为 $1 \times SMSS$，即 1 个发送方最大报文段。

TCP 进行拥塞控制的算法有四种：慢开始（Slow-Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）、快重传（Fast Retransmit）和快恢复（Fast Recovery）。

TCP 实现必须实现慢开始、拥塞避免和 RTO 指数退避算法以完成拥塞控制。

相关词条：

• 初始拥塞窗口 IW（Initial Window）

  初始拥塞窗口由 SMSS 决定：

  • 当 $SMSS > 2190$ 时，拥塞窗口为 $\bf{2 \times SMSS}$，且不得超过 2 个报文段。
  • 当 $SMSS \in (1095, 2190]$ 时，拥塞窗口为 $\bf{3 \times SMSS}$​，且不得超过 3 个报文段。
  • 当 $SMSS \in (0, 1950]$ 时，拥塞窗口为 $\bf{4 \times SMSS}$，且不得超过 4 个报文段。

  并且：

  • 当握手过程中 SYN 和 SYN/ACK 报文丢失时，拥塞窗口初始值不得超过 $\bf{1 \times SMSS}$，且不得超过 1 个报文段。

• 慢开始门限 ssthresh

  当拥塞窗口大小超过 ssthresh 时，则改用拥塞避免算法。ssthresh 初始值应当设置为任意高的值（例如最大可能的通告窗口的大小）。

5.7.1 慢开始和拥塞避免

（RFC-5681 3.1）慢开始的主要思路是，从小到大逐渐改变拥塞窗口的数值，逐渐增加注入到网络中的数据。具体的：

• 当拥塞窗口即 cwnd 不超过慢开始门限 ssthresh 时，使用慢开始算法，即每收到 1 个报文段的确认，则将 cwnd +1。慢开始实际含义为从慢速开始，实际 cwnd 大小的增长为指数型的。
• 当 cwnd 超过 ssthresh 时，使用拥塞避免算法，即每发送一个拥塞窗口的数据，并收到了所有发送的数据的确认（又称每经过一个 RTT），则将 cwnd +1。
• 当发生超时重传，即发生网络拥塞时，ssthresh 减小为当前 cwnd 的一半，并将 cwnd 重置为初始值，重新开始执行慢开始算法。

并且：

• SYN 和 SYN/ACK 报文不得增加 cwnd。

5.7.2 快重传和快恢复

（RFC-5681 3.2）快重传和快恢复是建立在慢开始和拥塞避免机制基础之上，针对数据丢失的情况进行的优化。

快重传要求接收方：

• 不得进行延迟确认，即收到一个分组应立即发送确认。
• 不得进行选择确认，当分组乱序到达时，应对已连续正确收到的字节需要重复发送确认。

快重传指当接收方收到对三个重复序号的 ACK 时，则视为发生了网络拥塞，此时立即进行重传，而非等待超时后重传。

快恢复指当发生网络拥塞时，在将 ssthresh 减小为当前 cwnd 的一半之后，将 cwnd 减小为 ssthresh，而非初始值，然后执行慢开始算法。