[Linux][网络][TCP][四][流量控制][拥塞控制]详细讲解

目录

1.流量控制

• 发送方不能无脑的发数据给接收方，要考虑接收方处理能力
• 如果一直无脑地发数据给对方，但对方处理不过来，那么就会导致触发重发机制，从而导致网络流量的无端的浪费
• 为了解决这种现象发生，TCP提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量，这就是所谓的流量控制
• 假设以下场景：客户端是接收方，服务端是发送方假设接收窗口和发送窗口相同，都为200，假设两个设备在整个传输过程中都保持相同的窗口大小，不受外界影响
• 根据下图的流量控制，说明下每个过程：- 客户端向服务端发送请求数据报文 - 说明：本次例子是把服务端作为发送方，所以没有画出服务端的接收窗口- 服务端收到请求报文后，发送确认报⽂和80字节的数据，于是可用窗口Usable减少为120字节，同时SND.NXT指针也向右偏移80字节后，指向321，这意味着下次发送数据的时候，序列号是321- 客户端收到80字节数据后，于是接收窗口往右移动80字节， RCV.NXT也就指向321，这意味着客户端期望的下⼀个报文的序列号是 321，接着发送确认报⽂给服务端- 服务端再次发送了120字节数据，于是可用窗口耗尽为0，服务端无法再继续发送数据- 客户端收到120字节的数据后，于是接收窗口往右移动120字节， RCV.NXT也就指向441，接着发送确认报文给服务端- 服务端收到对80字节数据的确认报文后， SND.UNA指针往右偏移后指向321，于是可用窗口Usable增大到80- 服务端收到对120字节数据的确认报文后， SND.UNA指针往右偏移后指向441，于是可用窗口Usable增大到200- 服务端可以继续发送了，于是发送了160字节的数据后， SND.NXT指向601，于是可用窗口Usable减少到40- 客户端收到160字节后，接收窗口往右移动了160字节， RCV.NXT也就是指向了601，接着发送确认报文给服务端- 服务端收到对160字节数据的确认报文后，发送窗口往右移动了160字节，于是SND.UNA指针偏移了160后指向601，可用窗口Usable也就增大至了200

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入TCP首部中的"窗口大小"字段，通过ACK端通知发送端
• 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端
• 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度
• 如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0，这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端

2.拥塞控制

0.为什么要有拥塞控制，不是有流量控制么？

• 前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么
• ⼀般来说，计算机网络都处在⼀个共享的环境，因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵
• 在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时TCP就会重传数据，但是⼀重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大
• 所以，TCP不能忽略网络上发生的事，它被设计成⼀个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP会自我牺牲，降低发送的数据量
• 于是，就有了拥塞控制，控制的目的就是避免「发送方」的数据填满整个网络
• 为了在「发送方」调节所要发送数据的量，定义了⼀个叫做「拥塞窗口」的概念

1.什么是拥塞窗口？和发送窗口有什么关系呢？

• 拥塞窗口cwnd是发送方维护的⼀个的状态变化，它会根据网络的拥塞程度动态变化的
• 前面提到过发送窗口swnd和接收窗口rwnd是约等于的关系，那么由于加入了拥塞窗口的概念后，此时发送窗口的值是**swnd = min(cwnd, rwnd)**，也就是发送窗口和接收窗口中的最小值
• 拥塞窗口cwnd变化的规则 - 只要网络中没有出现拥塞，cwnd就会增大- 但网络中出现了拥塞，cwnd就减少

2.怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢？

• 只要「发送方」没有在规定时间内接收到ACK应答报文，也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞

3.拥塞控制有哪些算法？

• 慢启动
• 拥塞避免
• 拥塞发生
• 快速恢复

4.慢启动

• TCP在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程，这个慢启动的意思就是⼀点⼀点的提高发送数据包的数量， 如果一上来就发大量的数据，这不就是给网络添堵吗？
• 慢启动的算法记住⼀个规则就行：当发送⽅每收到⼀个ACK，拥塞窗口cwnd的大小就会加1
• 这里假定拥塞窗口cwnd和发送窗口swnd相等，下面举个例子： - 连接建立完成后，⼀开始初始化cwnd = 1，表示可以传⼀个MSS大小的数据- 当收到⼀个ACK确认应答后，cwnd增加1，于是⼀次能够发送2个- 当收到2个的ACK确认应答后， cwnd增加2，于是就可以比之前多发2个，所以这⼀次能够发送4个- 当这4个的ACK确认到来的时候，每个确认cwnd增加1，4个确认cwnd增加4，于是就可以比之前多发4个，所以这⼀次能够发送8个- 可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长

• 那慢启动涨到什么时候是个头呢？
• 有⼀个叫慢启动门限ssthresh(slow start threshold)状态变量 - 当cwnd < ssthresh**时，使⽤「慢启动算法」- 当**cwnd >= ssthresh时，就会使⽤「拥塞避免算法」

5.拥塞避免

• 前⾯说到，当拥塞窗口cwnd「超过」慢启动门限ssthresh就会进入拥塞避免算法
• ⼀般来说ssthresh的大小是65535字节
• 进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到⼀个 ACK 时，cwnd增加1/cwnd
• 接上前面的慢启动的例子，现假定ssthresh为8： - 当8个ACK应答确认到来时，每个确认增加1/8，8个ACK确认cwnd⼀共增加1，于是下次能够发送9个MSS大小的数据，变成了线性增长- 可以发现，拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度缓慢了⼀些- 就这么⼀直增长着后，网络就会慢慢进⼊了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需要对丢失的数据包进行重传。当触发了重传机制，也就进入了「拥塞发生算法」

6.拥塞发生

• 当网络出现拥塞，也就是会发生数据包重传，重传机制主要有两种：- 超时重传- 快速重传
• 发生超时重传的拥塞发生算法- ssthresh和cwnd的值会发生变化： - ssthresh设为cwnd/2- cwnd重置为1- 接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的 - ⼀旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿
• 发生快速重传的拥塞发生算法- 还有更好的方式，前⾯讲过「快速重传算法」。当接收⽅发现丢了⼀个中间包的时候，发送三次前⼀个包的ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传- TCP认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了⼀小部分，则ssthresh和cwnd变化如下： - cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的⼀半- ssthresh = cwnd- 进⼊快速恢复算法

7.快速恢复

• 快速重传和快速恢复算法⼀般同时使用，快速恢复算法是认为，你还能收到3个重复ACK说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像RTO超时那么强烈
• 正如前⾯所说，进⼊快速恢复之前， cwnd和ssthresh已被更新了 - cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的⼀半- ssthresh = cwnd
• 然后，进入快速恢复算法如下 - 拥塞窗口cwnd = ssthresh + 3(3的意思是确认有3个数据包被收到了)- 重传丢失的数据包- 如果再收到重复的ACK，那么cwnd增加1- 如果收到新数据的ACK后，把cwnd设置为第⼀步中的ssthresh的值，原因是该ACK确认了新的数据，说明从duplicated ACK时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进⼊拥塞避免状态