牛客网Java刷题知识点之拥塞发生的主要原因、TCP拥塞控制、TCP流量控制、TCP拥塞控制的四大过程（慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复）

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什么是拥塞？

　　当大量的分组进入通信子网，超出了网络的处理能力时，就会引起网络局部或整体性能下降，这种现象称为拥塞。拥塞常常使问题趋于恶化。

另一种对拥塞的解释，即对资源的需求超过了可用的资源。若网络中许多资源同时供应不足，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量随之负荷的增大而下降。

拥塞的发生与其不可避免   

　　拥塞发生的主要原因：在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这些资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力。由于互联网的设计机制导致其缺乏“接纳控制”能力，因此在网络资源不足时不能限制用户数量，而只能靠降低服务质量来继续为用户服务，也就是“尽力而为”的服务。

　　拥塞其实是一个动态问题，我们没有办法用一个静态方案去解决，从这个意义上来说，拥塞是不可避免的。

 

　　静态解决问题办法1：
　　　　例如：增加缓存空间到一定程度时，只会加重拥塞，而不是减轻拥塞，这是因为当数据包经过长时间排队完成转发时，它们很可能早已超时，从而引起源端超时重发，而这些数据包还会继续传输到下一路由器，从而浪费网络资源，加重网络拥塞。事实上，缓存空间不足导致的丢包更多的是拥塞的“症状”而非原因。另外，增加链路带宽及提高处理能力也不能解决拥塞问题。
　　静态解决问题办法2：
　　　　例如：我们有四台主机ABCD连接路由器R，所有链路带宽都是1Gbps，如果A和B同时向C以1Gbps的速率发送数据，则路由器R的输入速率为2Gbps，而输出速率只能为1Gbps，从而产生拥塞。避免拥塞的方法只能是控制AB的速率，例如，都是0.5Gbps，但是，这只是一种情况，倘若D也向R发送数据，且速率为1Gbps，那么，我们先前的修正又是不成立的。

拥塞控制和流量控制的差别

    　　 所谓拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能承受现有的网络负荷。

    　　 流量控制往往指的是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接受。

 

 

 

TCP的拥塞控制

　　为什么需要拥塞控制？

　　答：由于TCP采用了超时重传机制，如果拥塞不加以控制，将导致大量的报文重传，并再度引起大量的数据报丢弃，直到整个网络瘫痪。这种现象称为拥塞崩溃。

　　在网络实际的传输过程中，会出现拥塞的现象，网络上充斥着非常多的数据包，但是却不能按时被传送，形成网络拥塞，其实就是和平时的堵车一个性质了。TCP设计中也考虑到这一点，使用了一些算法来检测网络拥塞现象，如果拥塞产生，变会调整发送策略，减少数据包的发送来缓解网络的压力。

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

TCP的流量控制   

• 早期的TCP协议只有基于窗口的流控制（flow control）机制，我们简单介绍一下，并分析其不足。   在TCP中，为了实现可靠性，发送方发出一个数据段之后要等待接受方相应的确认信息，而不是直接发送下一个分组。
• 具体的技术是采用滑动窗口，以便通信双方能够充分利用带宽。滑动窗口允许发送方在收到接收方的确认之前发送多个数据段。窗口大小决定了在收到目的地确认之前，一次可以传送的数据段的最大数目。窗口大小越大，主机一次可以传输的数据段就越多。当主机传输窗口大小数目的数据段后，就必须等收到确认，才可以再传下面的数据段。例如，若视窗的大小为 1，则传完数据段后，都必须经过确认，才可以再传下一个数据段；当窗口大小等于3时，发送方可以一次传输3个数据段，等待对方确认后，再传输下面三个数据段。
• 窗口的大小在通信双方连接期间是可变的，通信双方可以通过协商动态地修改窗口大小。在TCP的每个确认中，除了指出希望收到的下一个数据段的序列号之外，还包括一个窗口通告，通告中指出了接收方还能再收多少数据段（我们可以把通告看成接收缓冲区大小）。如果通告值增大，窗口大小也相应增大；通告值减小，窗口大小也相应减小。但是我们可以发现，接收端并没有特别合适的方法来判断当前网络是否拥塞，因为它只是被动得接收，不像发送端，当发出一个数据段后，会等待对方得确认信息，如果超时，就可以认为网络已经拥塞了。
• 所以，改变窗口大小的唯一根据，就是接收端缓冲区的大小了。
• 流量控制作为接受方管理发送方发送数据的方式，用来防止接受方可用的数据缓存空间的溢出。
• 流控制是一种局部控制机制，其参与者仅仅是发送方和接收方，它只考虑了接收端的接收能力，而没有考虑到网络的传输能力；
• 而拥塞控制则注重于整体，其考虑的是整个网络的传输能力，是一种全局控制机制。正因为流控制的这种局限性，从而导致了拥塞崩溃现象的发生。

TCP拥塞控制的四大过程（慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复）

　　TCP的拥塞控制由4个核心算法组成：“慢启动”（Slow Start）、“拥塞避免”（Congestion voidance）、“快速重传 ”（Fast Retransmit）、“快速恢复”（Fast Recovery）。

　　为了方便起见，把发送端叫做client，接收端为server，每个segment长度为512字节，阻塞窗口长度为cwnd（简化起见，下面以segment为单位），sequence number为seq_num，acknowledges number为ack_num。通常情况下，TCP每接收到两个segment，发送一个ack。

　　（1）慢启动   

　　早期开发的TCP应用在启动一个连接时会向网络中发送大量的数据包，这样很容易导致路由器缓存空间耗尽，网络发生拥塞，使得TCP连接的吞吐量急剧下降。由于TCP源端一开始并不知道网络资源当前的利用状况，因此新建立的TCP连接不能一开始就发送大量数据，而只能逐步增加每次发送的数据量，以避免上述现象的发生，这里有一个“学习”的过程。   假设client要发送5120字节到server，

　　慢启动过程如下：   

　　　　1、初始状态，cwnd=1,seq_num=1；client发送第一个segment。  

　　　　2、server接收到512字节（一个segment），回应ack_num=513。

　　　　3、client接收ack(513)，cwnd＝1+1=2;现在可以一次发送2个数据段而不必等待ack。   

　　　　4、server接收到2个segment，回应ack_num=513+512*2=1537  。 

　　　　5、client接收ack(1537)，cwnd=2+1;一次发送3个数据段   。

　　　　6、server接收到3个segment，回应2个ack，分别为ack_num=1537+1024=2561和ack_num=2561+512=3073   。

　　　　7、client接收ack(2561)和ack(3073),cwnd=3+2=5；一次可以发送5个数据段，但是只用4个就满足要求了   。

　　　　8、server接收到4个segment，回应2个ack，分别为4097,5121   9.已经发送5120字节，任务完成！

　　总结一下： 当建立新的TCP连接时，拥塞窗口（congestion window，cwnd）初始化为一个数据包大小。源端按cwnd大小发送数据，每收到一个ACK确认，cwnd就增加一个数据包发送量。  

（1）慢启动算法是一个在连接上发起数据流的方法。

（2）慢启动过程：

初始时将拥塞窗口的初始为一个MSS，每次收到一个报文段的确认时发送方将拥塞窗口增大一个MSS,并发送两个最大长度的报文段。两个报文段被确认后，则发送方复每个报文段的确认增加一个MSS,使得拥塞窗口变为4个MSS,这样每过一个RTT，发送速率就翻番。因此，在慢启动阶段以指数增长。

（3）慢启动的结束：

当出现一个由超时指示的丢包事件，TCP发送方将cwnd设置为1，并重新开始慢启动。

　　（2） 拥塞避免 

　　  可以想象，如果按上述慢启动的逻辑继续下去而不加任何控制的话，必然会发生拥塞，引入一个慢启动阈值ssthresh的概念，当cwnd<ssthresh的时候，tcp处于慢启动状态，否则，进入拥塞避免阶段。通常，ssthresh初始化为 64 Kbytes。   当cwnd = 64947 + 512 = 65459，进入拥塞避免阶段，假设此时seq_num = _101024：   

　　1、client一次发送cwnd，但是先考虑头两个segment  。

 　   2、server回应ack_num = 102048   。

　　3、client接收到ack(102048),cwnd = 65459 + [(512 * 512) /65459] = 65459 + 4 = 65463，也就是说，每接到一个ack，cwnd只增加4个字节。   

　　4、client发送一个segment，并开启ack timer,等待server对这个segment的ack，如果超时，则认为网络已经处于拥塞状态，则重设慢启动阀值ssthresh=当前cwnd/2＝65463/2=32731，并且，立刻把cwnd设为1，很极端的处理！

　　 5.此时，cwnd<ssthresh，所以，恢复到慢启动状态。

　　总结一下：如果当前cwnd达到慢启动阀值，则试探性的发送一个segment，如果server超时未响应，TCP认为网络能力下降，必须降低慢启动阀值，同时，为了避免形势恶化，干脆采取极端措施，把发送窗口降为1，个人感觉应该有更好的方法。

 

 

（1）拥塞避免算法是一种处理丢失分组的方法。（当到达中间路由器的极限时，分组将被丢弃。）

（2）拥塞避免过程：

进入拥塞避免时，拥塞窗口的值大约是上次遇到拥塞时值的一半，每个RTT只将拥塞窗口的值增加1个MSS.

（3）结束条件：超时或丢包。

 

　　（3）（4）快速重传和快速恢复   

　　前面讲过标准的重传，client会等待RTO时间再重传，但有时候，不必等这么久也可以判断需要重传，

快速重传

　　例如：client一次发送8个segment，seq_num起始值为100000，但是由于网络原因，100512丢失，其他的正常，则server会响应4个ack(100512)(为什么呢，tcp会把接收到的其他segment缓存起来，ack_num必须是连续的)，这时候，client接收到四个重复的ack，它完全有理由判断100512丢失，进而重传，而不必傻等RTO时间了。  

　　快速恢复

　　我们通常认为client接收到3个重复的ack后，就会开始快速重传，但是，如果还有更多的重复ack呢，如何处理？这就是快速恢复要做的，事实上，我们可以把快速恢复看作是快速重传的后续处理，它不是一种单独存在的形态。   

 

以下是具体的流程：  

　　假设此时cwnd=70000,client发送4096字节到server,也就是8个segment，起始seq_num = _100000：   

　　1、client发送seq_num = _100000   。

　　2、seq_num =100512的segment丢失  。 

　　3、client发送seq_num = _101024   。

　　4、server接收到两个segment，它意识到100512丢失，先把收到的这两个segment缓存起来  。 

　　5、server回应一个ack(100512),表示它还期待这个segment  。

　　6、client发送seq_num = _101536   。

　　7、server接收到一个segment，它判断不是100512，依旧把收到的这个segment缓存起来，并回应ack(100512)  。

　　8、以下同6、7,直到client收到3个ack(100512)，进入快速重发阶段。   

　　9、重设慢启动阀值ssthresh=当前cwnd/2＝70000/2=35000   。

　　10、client发送seq_num = 100512     以下，进入快速恢复阶段。   

　　11、重设cwnd = ssthresh + 3 segments =35000 + 3*512 = 36536，之所以要加3，是因为我们已经接收到3个ack(100512)了，

              根据前面说的，每接收到一个ack，cwnd加1   。

　　12、client接收到第四个、第五个ack(100512)，cwnd=36536+2*512=37560  。

 　  13、server接收到100512,响应ack_num = _104096   14.此时，cwnd>ssthresh，进入拥塞避免阶段。

（1）执行条件及过程

当收到3个或3个以上的重复ACK时，就非常有可能是一个报文段丢失了。于是我们就重传丢失的数据报文段，而不等待超时定时器溢出。这就是快速重传。接下来执行的不是慢启动，而是拥塞避免，这就是快速恢复。

（2）原因：

没有执行慢启动的原因是由于收到的重复的ACK不仅仅告诉我们一个分组丢失了。由于接收方只有在收到另一个报文段时才会产生重复的ACK，而该报文段已经离开网络并进入了接收方的缓存。也就是说在收发两端之间仍然有流动的数据，而我们不想执行慢启动来突然减少数据流。

　　真实例子

　　想想看，能不能把TCP解决拥塞的方法应用到交通拥塞呢？   我们有两个原则：一是拥塞不可避免，单纯增加资源并不能避免拥塞的发生，只能用动态的方法加以解决；二是数据包守恒原则。政府花费很大资金修路，并不能避免堵车，只能从源头控制，例如首先限制车辆进入主路，根据实际情况，再慢慢增加每一个路口的车流量，但是，当达到一个阀值，增加速度要放缓，并不时探测整个主路的拥堵情况，如果情况危急，立刻封闭半个路口，并将车流量降到最低，也就是重新回复到慢启动状态。   呵呵，有趣！

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