网络拥塞控制(五) 传统TCP存在的缺陷

这个世界在一直变化着，任何事物如果停留在原地，最终是要被淘汰的，TCP的拥塞控制算法也是如此。

90年代中后期到21世纪以来，Internet得到迅猛发展，首先是拥塞现象变得越来越严重，其次是高带宽的网络出现，从100Mbps到1Gbps到10Gbps，再者很多对数据敏感的应用越来越多，如音视频应用等，这些对TCP的传统的拥塞控制算法提出了巨大的挑战。

首先来看高带宽和高时延网络情况，这种网络通常称之为长肥网络(Long Fat Network, LFN)，也称之为高带宽时延乘积网络(High-Bandwidth-Delay-Product Network，BDP)。带宽时延乘积(BDP)通常表示网络通道的容量，也就是能够在网络中缓冲的数据量，显然带宽增大一倍或者时延增大一倍都会使得通道的容量加倍。当这个乘积变得越来越大时，TCP的局限性及开始暴露出来。一个100Mbps的网络，如果时延是100ms，那么BDP为100,000,000*0.1/8=1,250,000字节=1220.7K，如果是1Gbps的网络时延为100ms，那么BDP为12207K左右，如果TCP跑在这种网络上，那么效率是非常低的，从TCP的首部中我们可以看到TCP利用16位来表示接收窗口rwnd大小，16位能表示的最大值是65535，由于TCP的发送窗口是取拥塞窗口cwnd和对端的接收窗口rwnd两者之间的最小值，那么显然发送窗口最大只能到65535(以字节为单位)，显然该值与我们上述的网络BDP相差得太远，那么TCP就只能发送一阵数据然后就等待ACK，极端下去就有点像“停等协议”了。这样TCP就无法充分利用网络带宽，浪费带宽现象严重。

窗口扩大选项：为了解决窗口过小的问题，TCP利用起了它的选项功能，从TCP的头部可以看到TCP预留了一定的选项功能，用于扩展等用途。窗口扩大选项增加了额外的16位来表示窗口大小，窗口的值由首部的16位大小和选项的16位值共同组成，不过不是用加法组成的，而是利用移位窗口值的幂来表示的，也就是说如果移位窗口值为10，那么窗口的最大值就是65535*210，这个值就比较大了，足够表示窗口的大小了。

好，窗口太小的问题解决了，我们再来看窗口增长的机制存在的问题。通过前面的TCP的拥塞控制的机制我们可以看到TCP的增长方式是AIMD原则的，即加法增大，在拥塞避免阶段，每次增加1，按照我们上面计算的网络环境1Gbps，100ms时延，其窗口大小到12,500,000，如果按照最理想的情况每个包大小为1500个字节的话，那么必须需要8333个包大小的拥塞窗口，也就是要8333个RTT才能增长到这个值，这个时间还随着RTT和带宽的增大而增大，而且在增长过程中只要一出现丢包的话，那么窗口就立即减半，此时又得重新开始增长，显然该增长函数不能满足现在网络的需要。

其次，传统的TCP总是把包的丢失解释为网络发生了拥塞，而假定链路错误造成的分组丢失是忽略不计的，这种情况是基于当时V. Jacobson的观察，认为链路错误的几率太低从而可以忽略，然而在高速网络中，这种假设是不成立的，当数据传输速率比较高时，链路错误是不能忽略的。在无线网络中，链路的误码率更高，因此，如果笼统地认为分组丢失就是拥塞所引起的，从而降低一半的速率，这是对网络资源的极大浪费。拥塞的判断需要两个连续的分组丢失。

最后就是网络的应用的多样化，音视频应用越来越多，而音视频基本上都是用UDP来传输数据，UDP不提供数据可靠性的保障，同时也没有拥塞控制和流控，因此当UDP和TCP在一起竞争的时候，如果造成丢包的话，此时TCP退避三舍，而UDP照样传输，显然会造成TCP的应用会变得奇慢，当然这个本质不是TCP的问题，但是给TCP带来了问题。

针对上述问题，TCP的拥塞控制进入了新的阶段，百花齐放，出现了很多研究热点，其中比较集中的方面有：“慢启动”过程的改进，基于速率的拥塞控制，ECN，和针对特殊网络(无线网络和卫星网络)的拥塞控制。最初提出了HSTCP，后来又出现了BI-TCP，CUBIC TCP、FastTCP、TCP-Westwood等一系列的改进，UDP的应用开始了TCP-Friendly的拥塞控制，出现了TFRC，最近又有了DCCP。

下一节：HSTCP和BI-TCP。