(7.15)-5.8.2 TCP的擁塞控制方法

TCP的擁塞控制方法TCP采用基于窗口的方法進(jìn)行擁塞控制。該方法屬于閉環(huán)控制方法。TCP發(fā)送方維持一個(gè)擁塞窗口CWND

(CongestionWindow)擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地在變化。發(fā)送端利用擁塞窗口根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況調(diào)整發(fā)送的數(shù)據(jù)量。所以，發(fā)送窗口大小不僅取決于接收方公告的接收窗口，還取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，所以真正的發(fā)送窗口值為：真正的發(fā)送窗口值=

Min(公告窗口值，擁塞窗口值)控制擁塞窗口的原則只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就可以再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去，這樣就可以提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞或有可能出現(xiàn)擁塞，就必須把擁塞窗口減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，以便緩解網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞。擁塞的判斷重傳定時(shí)器超時(shí)現(xiàn)在通信線路的傳輸質(zhì)量一般都很好，因傳輸出差錯(cuò)而丟棄分組的概率是很小的（遠(yuǎn)小于1%）。只要出現(xiàn)了超時(shí)，就可以猜想網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)了擁塞。收到三個(gè)相同（重復(fù)）的ACK個(gè)別報(bào)文段會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中丟失，預(yù)示可能會(huì)出現(xiàn)擁塞（實(shí)際未發(fā)生擁塞），因此可以盡快采取控制措施，避免擁塞。TCP擁塞控制算法四種（RFC5681）：慢開始(slow-start)擁塞避免(congestionavoidance)快重傳(fastretransmit)快恢復(fù)(fastrecovery)慢開始(Slowstart)用來確定網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力。算法的思路：由小到大逐漸增大擁塞窗口數(shù)值。初始擁塞窗口cwnd設(shè)置：舊的規(guī)定：在剛剛開始發(fā)送報(bào)文段時(shí)，先把初始擁塞窗口cwnd設(shè)置為1至2個(gè)發(fā)送方的最大報(bào)文段SMSS(SenderMaximumSegmentSize)的數(shù)值。新的RFC5681把初始擁塞窗口cwnd設(shè)置為不超過2至4個(gè)SMSS的數(shù)值。慢開始門限ssthresh（狀態(tài)變量）：防止擁塞窗口cwnd增長過大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。慢開始(Slowstart)擁塞窗口cwnd控制方法：在每收到一個(gè)對(duì)新的報(bào)文段的確認(rèn)后，可以把擁塞窗口增加最多一個(gè)SMSS的數(shù)值。其中

N是原先未被確認(rèn)的、但現(xiàn)在被剛收到的確認(rèn)報(bào)文段所確認(rèn)的字節(jié)數(shù)。不難看出，當(dāng)

N<SMSS時(shí)，擁塞窗口每次的增加量要小于SMSS。用這樣的方法逐步增大發(fā)送方的擁塞窗口cwnd，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。擁塞窗口cwnd每次的增加量=min(N,SMSS)(5-8)發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1發(fā)送M2~M3

確認(rèn)M2~M3發(fā)送M4~M7

確認(rèn)M4~M7cwnd=1cwnd=2cwnd=4發(fā)送M8~M15cwnd=8…發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使cwnd加1。輪次1輪次2輪次3窗口大小按指數(shù)增加，不慢！每經(jīng)過一個(gè)傳輸輪次，擁塞窗口就加倍。傳輸輪次使用慢開始算法后，每經(jīng)過一個(gè)傳輸輪次(transmissionround)，擁塞窗口cwnd就加倍。一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間其實(shí)就是往返時(shí)間RTT?！皞鬏斴喆巍备訌?qiáng)調(diào)：把擁塞窗口cwnd所允許發(fā)送的報(bào)文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對(duì)已發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)。例如，擁塞窗口cwnd=4，這時(shí)的往返時(shí)間RTT就是發(fā)送方連續(xù)發(fā)送4個(gè)報(bào)文段，并收到這4個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)，總共經(jīng)歷的時(shí)間。設(shè)置慢開始門限狀態(tài)變量ssthresh慢開始門限ssthresh的用法如下：當(dāng)cwnd<ssthresh時(shí)，使用慢開始算法。當(dāng)cwnd>ssthresh時(shí)，停止使用慢開始算法而改用擁塞避免算法。當(dāng)cwnd=ssthresh時(shí)，既可使用慢開始算法，也可使用擁塞避免算法。擁塞避免算法思路：讓擁塞窗口cwnd緩慢地增大，即每經(jīng)過一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍，使擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長。因此在擁塞避免階段就有“加法增大”(AdditiveIncrease)的特點(diǎn)。這表明在擁塞避免階段，擁塞窗口cwnd按線性規(guī)律緩慢增長，比慢開始算法的擁塞窗口增長速率緩慢得多。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)無論在慢開始階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞（重傳定時(shí)器超時(shí)）：ssthresh=max(cwnd/2，2)cwnd=1執(zhí)行慢開始算法這樣做的目的就是要迅速減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生擁塞的路由器有足夠時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例當(dāng)TCP連接進(jìn)行初始化時(shí)，將擁塞窗口置為1。圖中的窗口單位不使用字節(jié)而使用報(bào)文段。慢開始門限的初始值設(shè)置為16個(gè)報(bào)文段，即ssthresh=16。超時(shí)246810121416182022004812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

慢開始慢開始慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)246810121416182022004812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

慢開始慢開始發(fā)送端的發(fā)送窗口不能超過擁塞窗口cwnd和接收端窗口rwnd中的最小值。我們假定接收端窗口足夠大，因此現(xiàn)在發(fā)送窗口的數(shù)值等于擁塞窗口的數(shù)值。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例在執(zhí)行慢開始算法時(shí)，擁塞窗口cwnd=1，發(fā)送第一個(gè)報(bào)文段。超時(shí)246810121416182022004812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)ACK，就把擁塞窗口值加1，然后開始下一輪的傳輸（請(qǐng)注意，橫坐標(biāo)是傳輸輪次，不是時(shí)間）。因此擁塞窗口cwnd隨著傳輸輪次按指數(shù)規(guī)律增長。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)ACK，就把擁塞窗口值加1，然后開始下一輪的傳輸（請(qǐng)注意，橫坐標(biāo)是傳輸輪次，不是時(shí)間）。因此擁塞窗口cwnd隨著傳輸輪次按指數(shù)規(guī)律增長。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)ACK，就把擁塞窗口值加1，然后開始下一輪的傳輸（請(qǐng)注意，橫坐標(biāo)是傳輸輪次，不是時(shí)間）。因此擁塞窗口cwnd隨著傳輸輪次按指數(shù)規(guī)律增長。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4當(dāng)擁塞窗口cwnd增長到慢開始門限值ssthresh時(shí)（圖中的點(diǎn)

，此時(shí)擁塞窗口cwnd=16），就改為執(zhí)行擁塞避免算法，擁塞窗口按線性規(guī)律增長。必須強(qiáng)調(diào)指出“擁塞避免”并非指完全能夠避免了擁塞。利用以上的措施要完全避免網(wǎng)絡(luò)擁塞還是不可能的?！皳砣苊狻笔钦f在擁塞避免階段把擁塞窗口控制為按線性規(guī)律增長，使網(wǎng)絡(luò)比較不容易出現(xiàn)擁塞。

慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4當(dāng)擁塞窗口cwnd=24時(shí)，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了超時(shí)（圖中的點(diǎn)

），發(fā)送方判斷為網(wǎng)絡(luò)擁塞。于是調(diào)整門限值

ssthresh=cwnd/2=12，同時(shí)設(shè)置擁塞窗口cwnd=1，進(jìn)入慢開始階段。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4當(dāng)擁塞窗口cwnd=24時(shí)，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了超時(shí)（圖中的點(diǎn)

），發(fā)送方判斷為網(wǎng)絡(luò)擁塞。于是調(diào)整門限值

ssthresh=cwnd/2=12，同時(shí)設(shè)置擁塞窗口cwnd=1，進(jìn)入慢開始階段。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4按照慢開始算法，發(fā)送方每收到一個(gè)對(duì)新報(bào)文段的確認(rèn)ACK，就把擁塞窗口值加1。當(dāng)擁塞窗口cwnd=ssthresh=12時(shí)（圖中的點(diǎn)

，這是新的ssthresh值），改為執(zhí)行擁塞避免算法，擁塞窗口按線性規(guī)律增大。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4當(dāng)擁塞窗口cwnd=16時(shí)（圖中的點(diǎn)

），出現(xiàn)了一個(gè)新的情況，就是發(fā)送方一連收到3個(gè)對(duì)同一個(gè)報(bào)文段的重復(fù)確認(rèn)（圖中記為3-ACK）。發(fā)送方改為執(zhí)行快重傳和快恢復(fù)算法?？熘貍魉惴ú捎每熘貍鱂R(FastRetransmission)算法可以讓發(fā)送方盡早知道發(fā)生了個(gè)別報(bào)文段的丟失。快重傳算法首先要求接收方不要等待自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行捎帶確認(rèn)，而是要立即發(fā)送確認(rèn)，即使收到了失序的報(bào)文段也要立即發(fā)出對(duì)已收到的報(bào)文段的重復(fù)確認(rèn)?？熘貍魉惴òl(fā)送方只要一連收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就知道接收方確實(shí)沒有收到報(bào)文段，因而應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行重傳（即“快重傳”），這樣就不會(huì)出現(xiàn)超時(shí)，發(fā)送方也不就會(huì)誤認(rèn)為出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞。使用快重傳可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高約20%。

不難看出，快重傳并非取消重傳計(jì)時(shí)器，而是在某些情況下可更早地重傳丟失的報(bào)文段?？熘貍髋e例發(fā)送方接收方發(fā)送M1

確認(rèn)M1t

確認(rèn)M2發(fā)送M2發(fā)送M3發(fā)送M4

？發(fā)送M5發(fā)送M6

重復(fù)確認(rèn)M2立即重傳M3

重復(fù)確認(rèn)M2

重復(fù)確認(rèn)M2t發(fā)送M7收到三個(gè)連續(xù)的對(duì)M2

的重復(fù)確認(rèn)立即重傳M3丟失快恢復(fù)算法當(dāng)發(fā)送端收到連續(xù)三個(gè)重復(fù)的確認(rèn)時(shí)，由于發(fā)送方現(xiàn)在認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)很可能沒有發(fā)生擁塞，因此現(xiàn)在不執(zhí)行慢開始算法，而是執(zhí)行快恢復(fù)算法FR(FastRecovery)算法：

(1)慢開始門限ssthresh=當(dāng)前擁塞窗口cwnd/2； (2)新?lián)砣翱赾wnd=慢開始門限ssthresh；(3)開始執(zhí)行擁塞避免算法，使擁塞窗口緩慢地線性增大。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例超時(shí)24681012141618202200812162024傳輸輪次擁塞窗口cwnd3-ACKTCPReno版本ssthresh的初始值擁塞避免

24擁塞避免擁塞避免

4因此，在圖的點(diǎn)

，發(fā)送方知道現(xiàn)在只是丟失了個(gè)別的報(bào)文段。于是不啟動(dòng)慢開始，而是執(zhí)行快恢復(fù)算法。這時(shí)，發(fā)送方調(diào)整門限值ssthresh=cwnd/2=8，同時(shí)設(shè)置擁塞窗口cwnd=ssthresh=8（見圖中的點(diǎn)

），并開始執(zhí)行擁塞