TCP拥塞控制简单理解

1.TCP的控制机制

序号

TCP通过序号可以实现一下几个功能：

1.确认应答处理。发送端收到接收端的确认应答，可以得知某些数据包被接收端接收了

2.顺序控制。接收端可以利用序号对接收到的报文进行排序

3.重发控制。如果发送端没有收到确认应答，那么就会进行数据重发

4.重复控制。如果接收到多次收到同一个序号的报文，则选择不接受该报文

超时重传

超时重传是TCP确保可靠性的一部分机制，它的作用是对丢失的报文进行重发。

超时重传的规则如下：

如果接收端发送了一个报文之后，一定时间后并没有收到确认应答，则说明发送的报文丢失，进行重传。

这个时间间隔不是固定的，而是根据RTT(报文的往返时间)确定的，通常超时时间间隔会设置的比RTT稍微大一些。

连接管理

TCP通过三次握手建立连接、四次挥手断开连接。

TCP以段为单位发送数据

虽然TCP是面向字节流的协议，但这并不意味着它的报文长度没有限制。

TCP的报文长度(段大小)通常为MSS(最大消息长度)。MSS的确认过程如下：

MSS在TCP三次握手时确定。

因为通信的两端可能所处的网络不同，所以MTU也不同(最大传输单元)，所以传输层发送的数据最好不要超过MTU，否则就会触发IP层的分片和重组机制(这个机制是不好的)。

所以在TCP三次握手时，通信双方交换自己的MTU，发送端选择两个MTU当中的最小值作为MSS，所以传输层的每一个报文的最大长度不能超过MSS。

滑动窗口

滑动窗口提高了TCP的传输效率和速度。

它的原理如下：

发送端发送一个报文后需要等待确认应答的到来，如果这个时间段内什么也不做那将是一种资源浪费。所以TCP提供了滑动窗口的机制，使得在等待确认应答的事件段内能够发送其他的报文。

流量控制

流量控制可以避免网络资源浪费。流量控制与滑动窗口配合使用。

它的使用机制如下：

上面提到了滑动窗口，它的功能是利用等待确认应答的时间来发送更多的数据。那么发送多少数据就是由流量控制机制来控制的。

在TCP通信中，无论是什么TCP报文，都会带有接收端的接收窗口大小。发送端根据这个接收窗口大小来确认滑动窗口的大小，从而保证发送端发送的数据接收端一定能接收，从而避免网络资源浪费(发送的数据接收端接收不了而丢弃掉，不就是浪费网络资源了么)。

拥塞控制

本篇文章的主题，马上开始介绍。

2.拥塞控制

拥塞控制主要解决网络拥堵的问题。因为在真实的网络通信当中，有非常多的主机在同时使用网络，但是其中的某一主机并不知道其他主机发送了多少数据，如果当前主机一次性发送了海量的数据，则非常有可能造成网络崩溃甚至是瘫痪。

那么TCP就提供了拥塞控制的机制来避免这样的情况发生。

拥塞控制当中有一个概念叫做拥塞窗口，简单理解成是跟滑动窗口一样的东西。

数据发送的大小取决于拥塞窗口和滑动窗口的最小值。

试想这么一种情况，连接刚建立，那么接受端的接收窗口是非常大的，那么发送端会一次性发接收窗口大小那么多的数据吗？当然不可能啦，突然发送非常大的数据会造成什么影响上面已经介绍过了。

所以拥塞控制当中有一个叫做慢启动的机制，它的作用就是让TCP慢慢的发送数据。它的规则如下：

一开始的拥塞窗口为1MSS，也就是一开始只能发送1MSS数据大小的报文。随后每收到一个确认应答，拥塞窗口的大小就+1。

举个例子，一开始发送一个报文，收到一个确认应答，那么拥塞窗口就扩大为2MSS。随后发送两个报文，收到两个确认应答，然后拥塞窗口扩大为4MSS。随后发送四个报文，收到四个确认应答，然后拥塞窗口扩大为8MSS......以此类推。

从上面的规则来看，发送端能发送的数据呈指数级增长(但是要注意实际发送的数据为min(拥塞窗口,接收端窗口))。

发送的数据越多越容易造成网络拥堵，随机出现丢包的现象，最后触发超时重传。触发超时重传之后，可以得到慢启动阈值，这个阈值就是当前一次性发送的数据大小(假设为8MSS)。

因为发生了超时重传，那么慢启动阈值就会减半，即从8MSS降低为4MSS。然后又开始慢启动发送数据。

这里补充一条规则，即当拥塞窗口的大小超过了慢启动阈值，数据的发送只能呈线性增长。这个过程叫拥塞避免。

当前的慢启动阈值为4MSS，拥塞窗口为1MSS，所以它会重复上面的慢启动过程。直到拥塞窗口大于等于慢启动阈值，然后进入拥塞避免状态，发送的数据大小只能线性地、慢慢地增长。那么随着数据发送的慢慢增多，可能会出现一小部分的丢包现象，这个时候接收端会发送3次重复的确认应答以通知发送端有数据丢包了。

但是因为丢包的数据仅仅是一小部分，所以慢启动阈值又会减半。但是因为是接收到3次重复的确认应答，没有触发超时重传，所以拥塞窗口被设置为慢启动阈值+3。然后开始拥塞避免、发送数据。这个过程叫做高速重传。

如果在数据发送的过程中，又接收到了3次重复的确认应答，那么就继续做上面的动作。如果触发了超时重传机制，那么就要重新设置慢启动阈值，慢启动阈值就是触发超时重传的拥塞窗口大小的一半，然后又开始慢启动。

可以画一幅图来描述拥塞控制的过程：

简单的总结这个过程，连接刚建立之后不能直接发送大量数据，而是通过慢启动由少到多的发送数据，最后会因为发送过量数据而导致超时重传，可以得出慢启动阈值应当设置为引发超时重传的拥塞窗口的一半，然后进行慢启动，然后当拥塞窗口超过慢启动阈值的时候进入拥塞避免，随后如果收到了重复的确认应答就会触发高速重传，高速重传会重置慢启动阈值但是不会执行慢启动。

拥塞控制有点像发送端在慢慢吞噬整个网络一样，如果吞噬失败了就从头再来。