计算机网络概述传输层 TCP拥塞控制

TCP拥塞控制

计算机网络中的带宽、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就会变坏。这种情况就叫做拥塞。

拥塞控制就是防止过多的数据注入网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制是一个全局性的过程，和流量控制不同，流量控制对接收者的，它是通过控制发送者的发送速度保证接收者能够来得及接收。

慢开始算法和拥塞避免算法

发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量。发送窗口是动态变化的，拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，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，开始发送时先发送少量分组，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的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，发送方维护一个慢开始门限

发送窗口 < 慢开始门限：使用慢开始算法
发送窗口 > 慢开始门限：使用拥塞避免算法
发送窗口 = 慢开始门限：使用慢开始算法或拥塞避免算法
算法的具体过程：
通信开始时，发送方的发送窗口设为1，并发送第一个分组M1；
接收方收到M1后，返回确认应答，此时发送方发送窗口扩大两倍，并发送M2、M3；（即，发送方每次收到确认应答后，都将发送窗口设为当前值的两倍）
若发送窗口>慢开始门限，则使用拥塞避免算法，每次收到确认应答后都将发送窗口+1；
若发送方出现了超时重传，则表明网络出现拥塞，此时：
a）慢开始门限设为当前发送窗口的一半；
b）发送窗口设为1；
c）启用拥塞避免算法；

在发送超时重传时，发送窗口有可能已经超过了慢开始门限，也有可能还没超过；此时不管何种情况，都一律启用拥塞避免算法，并执行上述三步操作！
慢开始算法的作用：慢开始算法将发送窗口从小扩大，而且按指数级扩大，从而避免一开始就往网络中注入过多的分组从而导致拥塞；它将窗口慢慢扩大的过程其实也在探测网络拥塞情况的过程，当发现出现拥塞时，及时降低发送速度，从而减缓网络拥塞。
拥塞避免算法的作用：拥塞避免算法使发送窗口以线性方式增长，而非指数级增长，从而使网络更加不容易发生拥塞。

AIMD算法（加法增大乘法减小算法）

慢开始算法和拥塞避免算法还有个名称叫做『加法增大乘法减小算法』。
加法增加：指的是拥塞避免算法，使得发送窗口以线性的方式增长；
乘法减小：指的是不管当前正使用慢开始算法还是拥塞避免算法，只要发生拥塞时，慢开始门限将会变成当前窗口的一半。
快重传算法和快恢复算法

上述慢开始算法和拥塞避免算法能保证网络出现拥塞时进行相应的处理，而快重传和快恢复是一种拥塞预防的方式，此时网络可能尚未出现拥塞，但已经有拥塞的征兆，因此得作出一些预防措施。

快重传和快恢复

快重传原理：因为TCP具有累计确认的能力，因此接收者收到一个分组的时候不会立即发出应答，可能需要等待收到多个分组之后再同一发出累计确认。但快重传算法就要求，接收者如果接收到一个乱序的分组的话，就必须立即发出前一个正确分组的确认应答，这样能让发送者尽早地知道有一个分组可能丢失，快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。如下图：

快恢复原理：当发送者收到同一个分组的三个确认应答后，就基本可以判断这个分组已经丢失了；这时候无需等待超时，直接执行『乘法减小加法增大』：将慢开始门限ssthresh减半，但是接下去并不执行慢开始算法。考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。如下图：

随机早期检测RED
以上的拥塞避免算法并没有和网络层联系起来，实际上网络层的策略对拥塞避免算法影响最大的就是路由器的丢弃策略。在简单的情况下路由器通常按照先进先出的策略处理到来的分组。当路由器的缓存装不下分组的时候就丢弃到来的分组，这叫做尾部丢弃策略。这样就会导致分组丢失，发送方认为网络产生拥塞。更为严重的是网络中存在很多的TCP连接，这些连接中的报文段通常是复用路由路径。若发生路由器的尾部丢弃，可能影响到很多条TCP连接，结果就是这许多的TCP连接在同一时间进入慢开始状态。这在术语中称为全局同步。全局同步会使得网络的通信量突然下降很多，而在网络恢复正常之后，其通信量又突然增大很多。

为避免发生网路中的全局同步现象，路由器采用随机早期检测(RED:randomearly detection)。该算法要点如下：

使路由器的队列维持两个参数，即队列长队最小门限min和最大门限max，每当一个分组到达的时候，RED就计算平均队列长度。然后分情况对待到来的分组：

①平均队列长度小于最小门限——把新到达的分组放入队列排队。

②平均队列长度在最小门限与最大门限之间——则按照某一概率将分组丢弃。

③平均队列长度大于最大门限——丢弃新到达的分组。

以概率p随机丢弃分组，让拥塞控制只在个别的TCP连接上执行，因而避免全局性的拥塞控制。

RED的关键就是选择三个参数最小门限、最大门限、丢弃概率和计算平均队列长度。平均队列长度采用加权平均的方法计算平均队列长度，这和往返时间（RTT）的计算策略是一样的。

转载 https://blog.csdn.net/sicofield/article/details/9708383