TCP拥塞控制

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TCP几个窗口概念

TCP窗口大小的单位是字节​ 。这意味着窗口大小衡量的是可以发送的数据字节数，而不是报文段或帧的数量。

下表总结了TCP通信中几个关键的窗口类型：

窗口类型 英文全称 控制方 核心作用
接收窗口 (RWND)​ Receiver Window 接收端 流量控制，反映接收方应用程序的缓存剩余空间
拥塞窗口 (CWND)​ Congestion Window 发送端 拥塞控制，根据网络状况动态调整，避免造成网络过载
发送窗口 (SWND)​ Sender Window 发送端 实际发送数据的上限，其大小由RWND和CWND共同决定
  • 为何以字节为单位：采用字节作为单位提供了极大的灵活性，允许TCP适应各种不同的应用需求（如大文件传输或短小交互命令），而不受底层网络数据包大小分割的限制 。核心目的是实现流量控制，确保发送方的发送速率不会超过接收方的处理能力 。
  • 流量控制过程：接收方通过TCP报文首部中的16位“窗口大小”字段，动态地向发送方通告自己的接收窗口剩余容量 。如果接收方缓冲区已满，它会通告一个零窗口，此时发送方会暂停发送，并通过持续计时器定时发送窗口探测报文，以等待接收方缓冲区空出后恢复传输 。
  • 窗口大小的限制与扩展：由于窗口字段是16位，理论上最大窗口值为65535字节。对于高带宽、高延迟的网络（如卫星链路），这可能成为瓶颈。因此，TCP使用了窗口缩放选项，通过一个缩放因子，可以将实际窗口大小最大扩展到约1GB，从而显著提高吞吐量 。

窗口之间的关系

SWND = min (CWND,RWND)

CWND

CWND是为了避免TCP拥塞产生的，以“不清楚网络情况”为前提，使用几种算法来探测和避免拥塞的。

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 快速恢复

慢启动

收到一个ACK，就将CWND的值增加一个MSS。那么在几轮RTT的表现下，CWND的增加呈现指数级增长。

CWND = CWND + MSS

xychart-beta
        title "慢启动"
        x-axis "RTT" [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6]
        y-axis "CWND" 
        line [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64]

拥塞避免

TCP的拥塞避免是TCP拥塞控制算法的核心阶段之一，其主要目的是在网络接近饱和时，平稳地利用带宽，避免因数据注入过快而导致网络拥塞。

CWND = CWND + MSS/CWND

  1. t1~t4：原始cwnd=8，sshthresh=8，慢启动到达cwnd=8
  2. t4~t7：到达cwnd后，开始拥塞避免
  3. t7~t8：有报文超时重传了，cwnd变成1，ssthresh为cwnd一半为5
  4. t8~t10：慢启动算法到cwnd为4
  5. t10~：拥塞避免算法启动 
    xychart-beta
        title "拥塞避免"
        x-axis "RTT" [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]
        y-axis "CWND" 
        line [0, 1, 2, 4, 8, 9, 10, 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

快重传

简单来说，快重传通过监听接收端发回的重复确认（Duplicate ACK）来推断数据包可能已丢失。其标准流程如下图所示，它展示了从发现丢包到恢复正常传输的完整过程：

其背后的详细原理和步骤是：

  1. 触发条件三个重复ACK：TCP使用累积确认机制。如果接收方收到了乱序的数据包（例如，包1、3、4、5都到了，但包2没到），它每次收到乱序包时，都会立即重复发送它期望收到的那个序列号的ACK（即针对包2的ACK）。发送方一旦连续收到3个或3个以上针对同一数据的重复ACK，就强烈暗示该数据包已经丢失，而非仅仅是网络延迟或乱序。这时，发送方不会等待重传定时器超时，而是立即行动。
  2. 核心动作立即重传：一旦判定丢包，发送方会立刻重传那个被重复ACK指明的、推测已丢失的数据包

如：

  1. M1~M2正常发送
  2. M3丢失
  3. M4~M6正常发送，但是接收方一直ACK M3
  4. 3个重复的ACK之后发送方对M3重传
  5. 接收方收到M3后ACK M6，完成传输

快重传的3个连续ACK时间要小于RTO

快速恢复

TCP快速恢复是拥塞控制中一项关键机制，它的核心目标是在检测到数据包丢失后（通常是收到三个重复确认ACK），避免让连接退回到慢启动阶段，从而维持较高的网络吞吐量。下面这个表格可以快速抓住演进的精髓。

特性 TCP Tahoe TCP Reno TCP NewReno TCP with SACK
核心机制​ 仅有快速重传 快速重传 + 基础快速恢复 改进的快速恢复（应对多包丢失） 选择性确认 + 更精确的恢复
触发条件​ 3个重复ACK或超时 3个重复ACK 3个重复ACK 3个重复ACK（利用SACK信息）
主要动作​ ssthresh = cwnd/2, cwnd = 1，进入慢启动 ssthresh = cwnd/2, cwnd = ssthresh + 3，进入快速恢复 ssthresh = cwnd/2，持续重传直至所有丢失包被确认 基于SACK信息精确重传丢失包，使用pipe变量控制发送
多包丢失处理​ 效率低，引发多次重置 效率低，可能多次进入恢复或超时 显著改善，可在一次恢复期内重传多个丢失包 最优，能同时识别和重传多个丢失包
主要优势​ 实现简单 避免空窗，提升单包丢失恢复效率 有效处理同一窗口内多个包丢失，减少超时 恢复最精确、延迟最低，吞吐量高
主要局限​ 网络利用率低，震荡大 多包丢失时性能差，易致超时 每个RTT只能恢复一个丢失包 实现复杂，CPU开销相对高

深入理解工作原理

快速恢复机制建立在几个关键原则和步骤之上：

  1. 触发与初始化：当发送端连续收到3个重复的ACK时，会推断有数据包丢失，从而触发快速恢复。随后，它会将慢启动阈值（ssthresh）设置为当前拥塞窗口（cwnd）的一半（但不小于2），为恢复阶段设定新的窗口上限。此时，拥塞窗口（cwnd）会被设置为新的 ssthresh值加上3个MSS（最大报文段长度），即 cwnd = ssthresh + 3 * MSS。加3是因为收到3个重复ACK，意味着有3个数据包已经离开网络，可以为新数据或重传数据腾出空间。
  2. “数据包守恒”原则：这是快速恢复阶段的核心思想。在恢复期间，每收到一个重复的ACK，就意味着又有一个数据包被成功接收（尽管是乱序的），发送方就可以再发送一个新数据包（无论是重传丢失包还是发送新数据）。因此，cwnd会随着重复ACK的到达而线性增加（通常每个重复ACK使 cwnd增加1个MSS），以此维持网络中的数据流量，避免管道完全排空。
  3. 恢复完成与退出：当发送端收到一个确认了新数据的ACK（即序列号高于触发快速恢复的那个ACK）时，意味着此次丢失的数据包已被成功重传并确认，恢复阶段结束。此时，cwnd会被设置为 ssthresh的值，然后TCP连接进入拥塞避免阶段，cwnd开始线性增长。

算法演进与比较

不同的TCP版本对快速恢复的实现有所差异，了解其演进有助于理解为何NewReno和SACK更为高效：

  • Tahoe的局限：TCP Tahoe版本仅有快速重传而没有快速恢复。一旦检测到丢包（3个重复ACK或超时），无论原因为何，它都会将 cwnd重置为1，并重新进入慢启动阶段。这种“一刀切”的方式在非严重拥塞的随机丢包情况下会严重降低网络利用率，造成吞吐量急剧下降。
  • Reno的改进与不足：TCP Reno引入了快速恢复阶段，在单数据包丢失场景下表现良好。但其主要缺陷在于处理同一发送窗口内多个数据包丢失时显得力不从心。如果同一个窗口内有多个包丢失，Reno在收到第一个新数据的ACK（即部分确认，Partial ACK）后就会退出快速恢复。对于后续丢失的包，可能因为没有足够的重复ACK来再次触发快速重传，而不得不等待超时，这会导致性能下降。
  • NewReno的增强：TCP NewReno针对Reno的缺陷进行了关键改进。在快速恢复期间，即使收到部分确认（Partial ACK），它也不会立即退出快速恢复状态。而是会重传该部分确认指示的下一个丢失包，并继续停留在快速恢复阶段，直到该窗口内所有在快速恢复开始时未被确认的数据包都被成功确认后，才退出恢复。这确保了一次性能恢复多个丢失的数据包，显著减少了超时发生的概率。
  • SACK的精确控制：选择性确认（SACK）选项允许接收方明确告知发送方哪些数据块（包括不连续的）已经成功接收。这使得发送方能够精确知道哪些包真正丢失，从而在一个RTT内重传所有已知的丢失包，大大加快了恢复速度。SACK在快速恢复中使用一个名为 pipe的变量来估算网络中正在传输的数据包数量，从而更精细地控制发送时机。因此，SACK在处理多包丢失时效率最高。

例子

总结

拥塞避免算法建立在以下几个关键概念之上：

  • 核心目标：其核心思想是谨慎地探测网络剩余带宽。与慢启动阶段的指数增长不同，在拥塞避免阶段，发送方每收到一个确认（ACK），拥塞窗口（cwnd）大约增加 1/cwnd 个最大报文段（MSS）。这样，每个往返时延（RTT）内，cwnd仅线性增加1个MSS，增长曲线变得平缓，从而有效避免网络过载。
  • 触发条件：当拥塞窗口（cwnd）达到或超过慢启动阈值（ssthresh） 时，TCP就会从慢启动阶段切换到拥塞避免阶段。这个ssthresh值并非固定不变，它会根据网络状况动态调整。
  • 对拥塞的响应：当网络出现拥塞迹象（如发生超时或收到重复确认）时，TCP会采取行动。具体来说，会将ssthresh更新为发生拥塞时窗口值的一半（但不小于2个MSS），然后根据不同的拥塞指示进入不同的处理阶段。 
    flowchart LR
    A[TCP连接建立] --> B[慢启动<br>cwnd指数增长]
    B --> C{到达ssthresh?}
    C -- 是 --> D[拥塞避免<br>cwnd线性增长]
    D -- 收到3个重复ACK --> E[快速重传]
    E --> F[快速恢复<br>ssthresh = cwnd/2<br>cwnd = ssthresh + 3]
    F -- 收到新数据的ACK --> D
    D -- 超时重传 --> G[ssthresh = cwnd/2<br>cwnd重置为1]
    G --> B