TCP/IP学习笔记：TCP拥塞控制
简介
拥塞指的是
在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。这种情况就叫拥塞（congestion）。
TCP模块任务：提供网络利用率，降低丢包率，保证网络资源对每条数据的公平性。---- 拥塞控制
标准文档：RFC 5681，介绍了拥塞控制4个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快恢复（fast recovery）。
拥塞控制for linux算法实现，有多种：reno算法、vegas算法、cubic算法等。部分或全部实现。
查看方式(for Ubuntu 14)：
$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control
cubic
我的PC是采用cubic算法。
术语介绍
拥塞控制最终受控变量：发送窗口（SWND，Send Window）。也就是说，拥塞控制算法最终是通过控制SWND大小，来进行拥塞控制的。
发送窗口
在发送端发送缓存，存在4种类型数据，其中，发送窗口SWND是指（2）和（3）
（1）已经发送并且对端确认（Sent/ACKed）---------------发送窗外 缓冲区外
（2）已经发送但未收到确认数据（Sent/UnACKed）----------发送窗内 缓冲区内
（3）允许发送但尚未发送的数据（Unsent/Inside）---------发送窗内 缓冲区内
（4）未发送暂不允许（Unsent/Outside）-----------------发送窗外 缓冲区内
发送缓存4种类别数据的示意图
接收窗口
接收窗口 指的是TCP报文头窗口字段，用于告诉发送端自己当前接收缓存大小。
发送者最大段大小 SMSS
MSS(Maximum Segment Size) TCP最大报文段长度（RFC 879），指的是每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度。
TCP报文段 = 数据字段 + TCP首部（20~40Byte）
MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) + sizeof(IPHDR)
MTU：最大传输单元（含TCP头部、IP头部）；TCPHDR：TCP报文头；IPHDR：IP报文头。
MSS与MTU含义见下图：
发送者最大段大小，称为SMSS（Sender Maximum Segment Size）。
如何通告MSS?
MSS的默认值是536byte，因此对端应能接受报文段长度是536 + 20（TCP固定首部） = 556byte的TCP报文。如果想要改变MSS，就需要在TCP连接时，通过TCP报文头可变长的选项（option）字段（1byte类型+1byte长度+不定长内容），告知对端。
注意：MSS是设置好值后，再通告对方，而非与对方协商。
SWND大小的影响
如果SWND太小，会引起明显的网络延迟；反之，如果SWND太大，则容易导致网络拥塞。
既然接收窗口RWND可以控制发送窗口，为何还需要拥塞控制，而不直接用接收窗口进行控制？
虽然接收方可以通过接收通告窗口（RWND），来控制发送端SWND。但是接收方并不知道网络拥塞情况，无法针对网络情况进行控制。因此，发送端引入了一个称为拥塞窗口的（Congestion Windo, CWND）的状态变量。实际的SWND值是RWND和CWND中较小者。
慢启动和拥塞避免
慢启动
TCP连接建立OK后，CWND初值IW（Initial Window），大小2~4SMSS -- 发送端最多能发送IW bytes数据。
此后，发送端每收到接收端的一个确认，其CWND就按下式增加：
CWND += min(N, SMSS), 其中，N是此次确认中包含的之前未被确认的字节数 （1）
这样，CWND将按指数形式扩大，这就是慢启动。
慢启动算法理由：TCP模块刚开始发送数据时，并不知道网络的实际情况，需要一种试探的方式平滑地增加CWND的大小。
慢启动门限
如果不施加其他手段，慢启动必然使得CWND很快膨胀（慢启动并不慢），并最终导致网络拥塞。而慢启动门限（slow start threadhold size, ssthresh），就是这样一个限制：
当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法；
当cwnd > ssthresh时，停止慢开始算法，改用拥塞避免算法；
当cwnd = ssthresh时，既可以用慢开始算法，也可以用拥塞避免算法；
ssthresh初始值16。只要判断出现拥塞时，慢开始门限设为出现拥塞时发送窗口swnd的一半（但不能<2），然后把拥塞窗口cwnd重新设为1，执行慢开始算法。
目的：迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞时路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。
拥塞避免算法
CWND按线性方式增加，从而减缓其扩大。RFC 5681提到2种实现方式：
1）每个RTT时间内，按（1）式计算新的CWND，而不论该RTT时间内发送端收到多少个确认。
2）每收到一对新数据的确认报文段，就按式（2）来更新CWND。
CWND += SMSS * SMSS / CWND （2）
下图粗略地描述了慢启动和拥塞避免发生的时机和区别。此外，我们假设当前ssthresh = 16SMSS大小（实际远不止这么大）
慢启动和拥塞避免，都是发送端在未检测到拥塞时，所采用的积极拥塞避免的方法。下面介绍拥塞发生时（可能发生在慢启动阶段或拥塞避免阶段）拥塞控制的行为。
发送端如何判断拥塞发生？
- 传输超时，或者说TCP重传定时器溢出； ---- 拥塞避免
- 接收到连续3个重复的确认报文； ---- 快速重传，快速恢复
拥塞控制对这两种情况有不同的处理方式。第一种情况，仍然使用慢启动和拥塞避免；第二种情况，则使用快速重传和快速回复（如果真的发生拥塞）。
如果发送端检测到拥塞发生是由于传输超时，即上述第一种情况，那么它将执行重传并做如下调整：
ssthresh = max(FlightSize / 2, 2 * SMSS) （3）
CWMD <= SMSS
其中，FlightSize是已经发送但未收到确认的字节数。这样调整后，CWMD将小于SMSS，那么必然小于新的慢启动门限值ssthresh（根据式（3），ssthresh一定不小于SMSS的2倍），故而拥塞控制再次进入慢启动阶段。
何为TCP超时重传？
TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到对方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。
所谓超时，是指定时器 > 最大往返时间RTT。
RTT是指一个数据报发送到目的地，然后到发送方收到确认所需的时间，这是测量RTT。发送报文和确认报文并非数量上的一一对应，可能发送多次，确认一次，也可能是一一对应。
快速重传和快速恢复
如何通过接收到重复的确认报文段，判断网络是否真的发生拥塞？
发送端接收到重复的确认报文段可能情形：TCP报文段丢失，接收端收到乱序TCP报文段并重排等。
拥塞控制算法需要判断当收到重复的确认报文段时，网络是否真的发生了拥塞，或者说TCP报文段是否真的丢失了。具体做法：
发送端如果连续收到3个重复的确认报文段，就认为拥塞发生了。然后它启用快速重传和快速恢复算法来处理拥塞，过程如下：
1）当收到第3个重复的确认报文段时，按（3）式计算ssthresh，然后立即重传丢失的报文，而不是等到重传计时器超时，这称为快速重传。并按式（4）设置CWND
CWND = ssthresh + 3 * SMSS （4）
2）每次收到1个重复的确认时，设置CWND = CWND + SMSS，而非从慢开始算法的cwnd=1开始。此时，发送端可以发生新的TCP报文段（如果新的CWND允许的话）
3）当收到新数据的确认时，设置CWND = ssthresh（ssthresh是新的慢启动门限值，由第一步计算得到）
步骤1）称为快速重传，步骤2）3）称为快速恢复。快速重传和快速恢复完成之后，拥塞控制将恢复到拥塞避免阶段。这点由第3）步操作可得知。
总结
拥塞控制对象：发送窗口SWND. SWND <= min(RWND, CWND)
网络出现超时 => 采用慢开始算法 + 拥塞避免算法；
网络出现重传 => 快速恢复算法；
参考
[1]谢希仁. 计算机网络.第5版[M]. 电子工业出版社, 2008.
[2]游双. Linux高性能服务器编程[M]. 机械工业出版社, 2013.
[3]Postel J . Transmission control protocol; rfc793[J]. Rfc, 1981.(RFC793)
[4]Тезисы, Статусдокумента, Авторскиеправа, et al. RFC 5681 TCP Congestion Control. 1996.(RFC5681)
