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计算机网络——22TCP拥塞

2026-11-01 03:53:14 来源：互联网转载

TCP拥塞

TCP拥塞控制机制

��到端的拥塞控制机制

路由器不向主机有关拥塞的反馈信息

路由器的负担较轻
符合网络核心简单的TCP/IP架构原则

端系统根据自身得到的信息，判断是否发生拥塞，从而采取动作

拥塞控制的几个问题

如何检测拥塞

轻微拥塞
拥塞

控制策略

在拥塞发送时如何动作，降低速率

轻微拥塞，如何降低
拥塞时，如何降低

在拥塞缓解时如何动作，增加速率

TCP拥塞感知

发送端如何探测到拥塞

某个段超时了（丢失事件）：拥塞

超时时间到，某个段的确认没有来
原因1：网络拥塞（某个路由器缓冲区没空间了，被丢弃）概率大
原因2：出错被丢弃了（各级错误，没有通过校验，被丢弃）概率小

一旦超时，就认为拥塞了，有一定误判，但是总体控制方向是对的

有关某个段的3次重复ACK：轻微拥塞

段的第1个ack，正常，确认绿段，期待红段
段的第2个重复ack，意味着红段的后一段收到了，蓝段乱序到达
段的第2、3、4个ack重复，意味着红段的后第2、3、4个段收到了，橙段乱序到达，同时红段丢失的可能性很大（后面3个段都到了，红段都没到）

网络这时还能够进行一定程度的传输，拥塞但情况要比上面好

TCP速率控制方法

如何控制发送端发送的速率

维持一个拥塞窗口的值(主要手段) ：CongWin （表示发送方往网络中的注入字节数）
发送端限制已发送但是未确认的数据量（的上限）: LastByteSent - LastByteAcked ≤ CongWin

从而粗略地控制发送方的往网络中注入的速率

CongWin是动态的，是感知到的网络拥塞程度的函数

超时或者3个重复ack，CongWin下降

超时时：CongWin降为1MSS，进入SS阶段然后再倍增到 CongWin(原) / 2（每个RTT），从而进入CA阶段
3个重复ack ：CongWin降为CongWin/2,CA阶段

否则（正常收到Ack，没有发送以上情况）：CongWin跃跃欲试上升（这是为了满足“在不发生拥塞的情况下提高吞吐率”的目的）

TCP拥塞控制和流量控制的联合动作

联合控制的方法

发送端控制发送但是未确认的量同时也不能超过接收窗口，满足流量控制要求

SendWin = min { CongWin , RecvWin }

同时满足拥塞控制和流量控制要求

TCP慢启动

连接刚建立, CongWin = 1 MSS

如: MSS = 1460bytes & RTT = 200 msec
初始速率 = 58.4kbps

可用带宽可能 >> MSS/RTT

应该尽快加速，到达希望的速率

当连接开始时，指数性增加发送速率，直到发生丢失的事件

启动初值很低
但是速度很快

当连接开始时，指数性增加（每个RTT）发送速率直到发生丢失事件

每一个RTT， CongWin加倍
每收到一个ACK时， CongWin加1（相当于每个RTT，CongWin加倍）

慢启动阶段：只要不超时或 3个重复ack，一个RTT， CongWin加倍

总结:

初始速率很慢，但是加速却是指数性的

指数增加，SS时间很短，长期来看可以忽略

AIMD

乘性减: 丢失事件后将CongWin降为1(ss阶段通常可忽略，故相当于直接减少到 CongWin/2 )，将CongWin/2作为阈值，进入慢启动阶段（倍增直到 CongWin/2）

加性增：当 CongWin >阈值时，一个 RTT 如没有发生丢失事件，将 CongWin 加1MSS : 探测（也就是主键添加，探测是否到达阈值）

改进

Q：什么时候应该将指数性增长变成线性？

A：在超时之前，当CongWin变成上次发生超时的窗口的一半

实现:

变量：Threshold

出现丢失（超时或者3个ACK），Threshold设置成CongWin的1/2

总结：TCP拥塞控制

当CongWin＜Threshold, 发送端处于慢启动阶段（ slow-start）, 窗口指数性增长.
当CongWin > Threshold, 发送端处于拥塞避免阶段（congestion-avoidance）, 窗口线性增长.
当收到三个重复的ACKs (triple duplicate ACK), Threshold设置成 CongWin/2， CongWin=Threshold+3.

当超时事件发生时timeout, Threshold=CongWin/2 CongWin=1 MSS，进入SS阶段

TCP发送端拥塞控制

事件	状态	TCP发送端行为	解释
以前没有收到ACK的data，被ACKed	慢启动(SS)	CongWin = CongWin + MSS,If (CongWin > Threshold)，状态变成“CA”	每一个RTT CongWin 加倍
以前没有收到ACK的data，被ACKed 拥塞避免(CA)	CongWin = CongWin+MSS * (MSS/CongWin)	线性增加, 每一个RTT对CongWin 加一个1 MSS
通过收到3个重复的ACK，发现丢失的事件	SS or CA	Threshold = CongWin/2, CongWin = Threshold+3, 状态变成“CA”	快速重传, 实现乘性的减，CongWin 没有变成1MSS.
超时	SS or CA	Threshold = CongWin/2,CongWin = 1 MSS,状态变成“SS”	进入slow start
重复的ACK	SS or CA	对被ACKed 的segment，增加重复ACK的计数	CongWin and Threshold不变

TCP拥塞控制FSM

TCP吞吐量

TCP的平均吞吐量是多少，使用窗口window尺寸W和RTT来描述?

(忽略慢启动阶段，假设发送端总有数据传输)

W：发生丢失事件时的窗口尺寸（单位：字节）
- 平均窗口尺寸（#in-flight字节）：3/4W
- 平均吞吐量：一个RTT时间吞吐3/4W， avg TCP thruput = 3/4 * (W/RTT) bytes/sec
  由下图所示，w/2→w所需要的时间是2RTT
  
  因此 T = (w/2 + w) / (2*RTT) = 3w/4RTT
  
  TCP 公平性
  
  公平性目标: 如果 K个TCP会话分享一个链路带宽为R的瓶颈，每一个会话的有效带宽为 R/K
  
  2个竞争的TCP会话:
  
  公平性和 UDP
  - 多媒体应用通常不是用 TCP
    - 应用发送的数据速率希望不受拥塞控制的节制
    - 使用UDP:
      - 音视频应用泵出数据的速率是恒定的, 忽略数据的丢失
        也就是UDP会抢占TCP的资源
        公平性和并行TCP连接
        
        2个主机间可以打开多个并行的TCP连接
        例如: 带宽为R的链路支持了 9个连接;
        如果新的应用要求建1个TCP连接,获得带宽R/10
        如果新的应用要求建11个TCP连接,获得带宽R/2