TCP流量控制，拥塞控制

流量控制

1.什么是流量控制，流量控制的目的？

如果发送者发送数据过快，接收者来不及接收，那么就会有分组丢失。为了避免分组丢失，控制发送者的发送速度，使得接收者来得及接收，这就是流量控制。流量控制根本目的是防止分组丢失，它是构成TCP可靠性的一方面。（注:流量控制是争对接收者的接受能力）

2.如何实现流量控制？

由滑动窗口协议（连续ARQ协议）实现。滑动窗口协议既保证了分组无差错、有序接收，也实现了流量控制。主要的方式就是接收方返回的 ACK 中会包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小来控制发送方的数据发送。（发送方会根据接收方的接收窗口大小调整数据量）

在TCP协议通信中，不确定性更大的是网络问题，所以我们此次重点讨论拥塞控制算法

拥塞控制

我们在开始假定：1、数据是单方向传递，另一个窗口只发送确认；2、接收方的缓存足够大，因此发送方的大小的大小由网络的拥塞程度来决定。

（一）慢开始算法：

发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd（congestion window）的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口，另外考虑到接受方的接收能力，发送窗口可能小于拥塞窗口。
慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。
这里用报文段的个数作为拥塞窗口的大小举例说明慢开始算法，实际的拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

从上图可以看到，一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT，而且每经过一个传输轮次（transmission round），拥塞窗口cwnd就加倍。

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下：当cwnd当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。
当cwnd=ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意
注意，这里的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，然后逐渐增大，这当然比按照大的cwnd一下子把许多报文段突然注入到网络中要“慢得多”。

（二）拥塞避免算法：

拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有按时收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

（1）拥塞窗口cwnd初始化为1个报文段，慢开始门限初始值为16
（2）执行慢开始算法，指数规律增长到第4轮，即cwnd=16=ssthresh，改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长
（3）假定cwnd=24时，网络出现超时（拥塞），则更新后的ssthresh=12，cwnd重新设置为1，并执行慢开始算法。当cwnd=12=ssthresh时，改为执行拥塞避免算法
关于 乘法减小（Multiplicative Decrease）和加法增大（Additive Increase）：
“乘法减小”指的是无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半，并执行慢开始算法，所以当网络频繁出现拥塞时，ssthresh下降的很快，以大大减少注入到网络中的分组数。“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，使拥塞窗口缓慢增大，以防止过早出现拥塞。常合起来成为AIMD算法。
注意：“拥塞避免”并非完全能够避免了阻塞，而是使网络比较不容易出现拥塞。

（三）快重传算法：

快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方，可提高网络吞吐量约20%）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。如下图：

四）快恢复算法：
快重传配合使用的还有快恢复算法，有以下两个要点：
当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半（为了预防网络发生拥塞）。但是接下去并不执行慢开始算法
考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh减半后的值，然后执行拥塞避免算法，使cwnd缓慢增大。如下图：TCP Reno版本是目前使用最广泛的版本。

注意：在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用

总结：

流量控制是针对接收方的接受能力，使用滑动窗口协议进行控制发出流量，在第一次接收方响应时会说明自己的接收缓存区大小，个人认为是接收方接收缓存区大小决定了滑动窗口的大小，在接收方缓存足够大的时候，网络因素成为了数据大小发送的限制，因此出现了拥塞控制。
拥塞控制用于网络控制，为了避免发送的数据过多，超过网络负荷造成网络堵塞，丢包等问题，拥塞控制使用四个策略控制数据包大小：
1.慢启动
最初拥塞窗口为1，每次接到与拥塞窗口相同数量的确认时，就将拥塞窗口成指数增长，2，4，8…，直到拥塞窗口值大于或等于ssthresh（慢开始门限）初始慢启动门限是根据传输的Rtt时间动态计算的，有一个通用算法，暂时不了解
2.拥塞避免算法
拥塞窗口不再是指数增长，而是加法增长，每次窗口加一，直到出现网络拥堵（接收端没有按时确认，或者未返回相同数量的确认包，及其他原因），将ssthresh（慢开始门限）设为原来的一半，cwnd设为1，再次开始慢启动，一般来说有以下三种情况：

cwnd（拥塞窗口） > ssthresh 启用拥塞避免算法
cwnd = ssthresh 慢启动或拥塞避免算法均可
cwnd < ssthresh 慢启动

3.快重传
快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认。发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。
4.快恢复
当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半（为了预防网络发生拥塞），将cwnd的值设为ssthresh减半后的值。但是接下去并不执行慢开始算法，而是执行拥塞避免算法。

在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用