TCP拥塞控制

概述

TCP 拥塞控制是一种用于防止网络拥塞的机制。当网络中的数据流量过大，超过了网络的承载能力时，就会出现拥塞现象，如数据包丢失、延迟增加等。TCP 拥塞控制通过调节发送方的数据发送速率，来避免过度占用网络资源，确保网络的稳定和高效运行。

拥塞控制的主要算法

慢启动（Slow - Start）

这是 TCP 拥塞控制的初始阶段。在连接建立初期，发送方不知道网络的拥塞状况，所以会以比较保守的方式开始发送数据。发送方会设置一个拥塞窗口（congestion window，cwnd），初始值通常为 1 个最大报文段长度（MSS）。
每收到一个接收方返回的确认（ACK），拥塞窗口就会翻倍。例如，发送方发送了 1 个 MSS 大小的数据包，收到一个 ACK 后，cwnd 就变为 2 个 MSS；再发送 2 个 MSS 大小的数据包，收到这 2 个 ACK 后，cwnd 就变为 4 个 MSS，以此类推。这种指数增长的方式可以快速探测网络的可用带宽。
但是，慢启动并不意味着发送速率真的很慢。它只是相对后面的阶段而言，在网络状况良好的情况下，拥塞窗口会迅速增大，发送速率也会快速提升。

拥塞避免（Congestion - Avoidance）

当拥塞窗口增长到一定程度（慢启动阈值，ssthresh）后，就会进入拥塞避免阶段。这个阶段的目的是避免网络拥塞，发送方不再像慢启动阶段那样指数增长拥塞窗口，而是线性增长。
具体做法是，每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 就增加 1 个 MSS。例如，cwnd 为 16 个 MSS 时，发送 16 个 MSS 大小的数据包，收到这 16 个 ACK 后，cwnd 变为 17 个 MSS。这种线性增长方式可以更稳健地利用网络带宽，降低拥塞的风险。

快重传（Fast Retransmit）

快重传主要是为了快速恢复丢失的数据包。当接收方收到一个失序的数据包时，它会立即发送一个重复的 ACK，这个 ACK 的序列号是期望收到的下一个数据包的序列号。
如果发送方连续收到 3 个（或更多）相同序列号的重复 ACK，就会认为这个数据包丢失了，而不是等待超时重传定时器（RTO）超时。发送方会立即重传这个丢失的数据包，而不需要等待 RTO 超时，这样可以大大减少数据传输的延迟。

快恢复（Fast Recovery）

在快重传之后，发送方会进入快恢复阶段。在这个阶段，发送方会调整拥塞窗口和慢启动阈值。
一般情况下，发送方会将慢启动阈值 ssthresh 设置为当前拥塞窗口 cwnd 的一半，然后将 cwnd 设置为 ssthresh 加上 3（这是因为收到了 3 个重复的 ACK）。之后，发送方会继续以拥塞避免的方式增长拥塞窗口，也就是每收到一个 ACK，cwnd 就增加 1 个 MSS。这种方式可以在快速恢复数据传输的同时，避免网络进一步拥塞。

拥塞控制的重要性

从网络资源利用角度看，拥塞控制能够合理分配网络带宽。如果没有拥塞控制，多个 TCP 连接可能会无节制地发送数据，导致网络资源被少数连接过度占用，而其他连接无法正常通信。通过拥塞控制，各个连接可以根据网络状况调整自己的发送速率，使得网络带宽能够被公平、高效地利用。
从数据传输质量角度讲，拥塞控制可以减少数据包丢失和传输延迟。当网络拥塞时，数据包丢失的概率会大大增加，传输延迟也会变得不可预测。拥塞控制机制通过及时调整发送速率，能够降低数据包丢失的风险，保证数据能够以较为稳定的延迟进行传输，从而提高了数据传输的可靠性和服务质量。