TCP系列41—拥塞控制—4、Linux中的慢启动和拥塞避免（一）
一、Linux中的慢启动和拥塞避免
Linux中采用了Google论文的建议把IW初始化成了10了。在linux中一般有三种场景会触发慢启动过程
1、连接初始建立发送数据的时候，此时cwnd初始化为10，ssthresh初始化为0x7fffffff，因此会触发慢启动。但是当路由表中有对应的设置的时候，cwnd和ssthresh会被路由表中的设置的值覆盖，有可能连接建立后直接进入拥塞避免阶段。
2、RTO超时进入Loss状态后，此时cwnd初始化为1，ssthresh的值会调用具体拥塞控制算法的回调函数(ssthresh函数)来设置，如reno算法中ssthresh = max(snd_cwnd/2, 2U)。
3、TCP连接idle时间在一个RTO以上时候，会重新初始化cwnd。这种场景下的处理我们留到后面CWV的文章中进行介绍。
在reno算法中的慢启动过程与前面文章概述的慢启动流程类似，接收的ack number每确认一个报文，就会更新cwnd=cwnd+1。而在reno的拥塞避免过程中，会维护一个cwnd_cnt的变量，初始值为0，当cwnd>=ssthresh的时候，进入拥塞避免后，接收到的ack number每确认一个报文的时候，就会更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1，如果cwnd_cnt>=cwnd，那么就会更新cwnd=cwnd+1，cwnd_cnt=cwnd_cnt-cwnd。在reno算法中只有TCP发送端处于network-limited状态下才会根据慢启动和拥塞避免来更新ssthresh和cwnd，关于network-limited状态的介绍，以及非network-limited状态下的拥塞控制，请参考后面的CWV相关文章。另外packets_out、 sacked_out、 lost_out、 retrans_out、 in_flight这些状态变量的说明请参考前面的文章。
至于linux中对于延迟ACK、stretched ACK、ABC、ACK压缩等的处理我们会在后面的示例中加以演示介绍。建议在读本篇示例前先把前面两篇文章读完。
二、wireshark示例
为了演示方便我们把server端的tcp连接的初始拥塞窗口设置为3，并把拥塞控制算法设置为reno。同时我们关闭网卡的tso和gso功能这样wireshark才能看到网卡最终发出去的报文。另外在下面的wireshark截图中为了方便观察SACK信息，info列中不在显示TSopt选项的信息，并不是报文不带有TSopt选项了。
******@Inspiron:~$ sudo ip route add local 127.0.0.2 dev lo congctl reno initcwnd 3 #相关设置庆参考本系列destination metric相关文章******@Inspiron:~$ ip route show table all | grep 127.0.0.2local 127.0.0.2 dev lo table local scope host initcwnd 3 congctl reno******@Inspiron:~$ sudo ethtool -K lo tso off gso off #关闭tso gso以方便观察cwnd变化
1、慢启动、拥塞避免与RTO超时、FACK、TLP综合示例
如下图所示client为127.0.0.2:10000，server为127.0.0.1:9877，client端与server端时延为50ms，client端使用quickack，对于收到的server端的每个数据包都会回复一个ACK确认包。下图可以看成是server端的wireshark抓包。server端在连接建立后先休眠1s，然后以5ms为发送间隔连续发送20个数据包，每个数据包的大小为50bytes，加上TSopt选项的大小后正好为client端的mss大小。
No1-No3：TCP连接建立，client端SYN报文中的MSS设置为62，扣除12bytes的TSopt选项的大小后，正好为50byte，此时server端处于Open状态，初始cwnd为路由表中配置的3，初始化ssthresh为2147483647(十六进制为0x7fffffff)，packets_out、sacked_out、lost_out、retrans_out、cwnd_cnt等变量都会初始化为0。
No4-No5：client发送一个22bytes大小的请求报文，server端回复一个ACK确认报文。
No6-No8：server端以5ms为间隔连续写入20次50bytes大小的数据，可以看到写入的前三个报文都顺利发送出去了。从wireshark中可以看到No8报文发出时间为1.061，server端休眠5ms后，第四个报文写入时间应该大约为1.066，但是可以从wireshark中看到在1.066这个时间点上server端并没有发出报文。原因就是受到拥塞控制的限制。在发送完No8报文后in_flight = packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out = 3-(0+0)+0=3，可以看到in_flight的大小已经达到用拥塞窗口的大小，因此不能额外发送新的数据了。
No9-No11：client对No6报文的ACK确认包No9经过大约50ms后到达server端，server端收到No9确认包后，cwnd=cwnd+1=4，而此时只有No7和No8两个报文还没有收到ACK确认包因此packets_out=2，in_flight=2-(0+0)+0=2，in_flight比cwnd小2，因此收到No9确认包后，可以发出NO10和No11两个新的数据包了
No12-No14、No15-No17、No18-No20、No21-No23、No24-No26、No27-No29这个过程与No9-No11类似，cwnd在每收到一个ACK报文后自增1，in_flight则可以从最新发出的报文和最近收到的ack number计算出来。最终server端在发出No29这个tcp报文后，cwnd=10，in_flight=10，可以看到此时同样是由于拥塞控制限制而不能发出新的数据包。
client端对于No17之后的报文直接丢弃，而且不回复ACK确认包，以触发server端RTO超时，观察RTO超时后server端的行为。
No30：可以看到这个报文与No29报文之间的时间差大约为100ms。server端与client端的RTT大约为50ms，想起来这个报文是什么包了吧。这个就是TLP的loss probe报文，server端在发出No29报文的时候会启动TLP定时器，定时间隔为2*RTT。TLP超时后发现还有未发出的新数据，因此选择了发送新的数据而不是重传No29报文。No30发出后，cwnd=10，in_flight=11，可以看到此时in_flight已经超越了cwnd的限制，如之前介绍TLP时候所说，TLP的发送不受拥塞控制的限制。TLP的内容前面不少文章都有过实例详解，详细请参考之前的文章。
No31：在No30报文发出后，启动RTO定时器，从server端程序可以看到此时server端的RTO为252ms。最终RTO超时后，server端重传了第一个还未收到ACK确认包的报文。可以看到No31和No30之间的时间差正好为252ms。如上所说，在RTO超时后，ssthresh的值由具体的拥塞控制算法的回调函数确定，在我们使用的reno算法中，ssthresh=max(cwnd/2, 2)=5。而cwnd固定设置为1。在RTO超时后linux还会把所有发出去还未被ack number或者SACK确认的数据包标记为lost。此时packets_out=lost_out=11，在发出No31报文后retrans_out=1，则in_flight = packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=1，正好与cwnd相同，因此发出No31重传包后，不能在发出其他的重传报文。
No32、No33：同样是两个RTO超时发出的报文，在同一个数据包多次连续RTO超时进行指数回退的过程中ssthreah的值并不会改变，但是每次RTO超时都会把cwnd初始化为1，把cwnd_cnt初始化为0。但是如果另外的其他数据包触发RTO超时，那么ssthresh的值则会初始化为max(cwnd/2, 2)。注意是其他的数据包触发了RTO超时才会初始化ssthresh，如果是我们之前介绍的慢启动重传(SlowStartRetrans)并不会更新ssthresh。
No34-No36：server端在收到No34ACK确认包后，更新packets_out=packets_out-1=10，lost_out=lost_out-1=10，retrans_out=retrans_out-1=0，in_flight = packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=0，而此时cwnd为1，因此允许发出一个额外的数据包，接着进入慢启动重传流程，重传No35护具包后retrans_out=1，in_flight也变为1，此时受限与拥塞窗口cwnd而不能在重传其他数据包，因此退出慢启动重传。接着因为收到了新的ACK报文会使用具体的拥塞控制算法更新拥塞窗口，在reno的回调函数中更新cwnd=cwnd+1=2，ssthreah不变仍为5，更新拥塞窗口后会尝试发送之前未发送的新数据，因此又发出了一个新的数据包No36，更新packets_out为11。注意这里的顺序是先进行重传然后进行拥塞窗口的更新，最后尝试发送新的未发送数据。这是一个linux通常的处理顺序，但是有些场景下可能会先更新拥塞窗口然后进行重传，最后尝试发送新数据，例如收到包含有SACK信息的old ACK的时候(old ACK是指ack number在SND.UNA之前)。
No37-No39：这个过程与No34-No36类似，收到ack报文后重传一个数据包，然后更新cwnd，接着发出一个新数据包。注意No39系列号范围为(951,1000)，我们一共写入了20个50bytes大小的数据包，因此这个数据已经是最后的一个数据包了。后面已经没有待发送的新数据了。在No39之后packets_out=11，lost_out=9，retrans_out=1，cwnd=3，in_flight = packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=3，可以看到正好是cwnd的大小。注意这里的No38重传就是慢启动重传，并没有触发RTO超时，因此不会更新ssthresh。注意我们之前介绍过TCP只会维护一个RTO定时器，Seq=351的数据包RTO超时后，触发的No35超时重传，但是随后No38是慢启动重传，位于recovery point之前。详细内容参考前面重传部分的文章。
No40-No41：No40是对No36的ACK回复报文，带有一个SACK信息通知server已经收到No36报文，server端收到No40后更新sacked_out=1，in_flight = packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=11-(1+9)+1=2，而此时cwnd为3，因此可以在额外重传一个No41报文，虽然wireshark显示No41为TCP Out-Of-Order，但No41实际上就是一个慢启动重传，此时更新retrans_out=2。因为No40这个ACK报文的ack number并没有确认收到新的数据包，因此cwnd也不能进行更新。
No42-No43：server端收到No38的ACK确认包后，retrans_out=retrans_out-1=1，packets_out=packets_out-1=10，lost_out=lost_out-1=8，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=10-(1+8)+1=2，因此又可以额外重传一个No43报文了，重传完毕后更新retrans_out=retrans_out+1=2，接着reno更新cwnd=cwnd+1=4，然后尝试发送新的未发送数据，上面我们已经说了No39已经是最后一个数据包，已经没有新的未发送数据了，因此尝试发送新的未发送数据失败。注意这时候in_flight=3，cwnd=4，此时拥塞窗口实际上还允许额外发送一个TCP报文的。
No44-No46：从No44的SACK信息可以看到，No44实际上是No39的ACK确认包，server端收到No44后，更新sacked_out=sacked_out+1=2，然后尝试进行慢启动重传，此时in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=10-(2+8)+2=2，cwnd=4因此可以重传No45、No46两个报文，更新retrans_out=retrans_out+2=4，No44的ack number并没有确认新的数据包，因此重传完后并不会更新cwnd。
No47-No48：No47是No41的ACK确认包，server端在收到这个数据包后，更新retrans_out=retrans_out-1=3，packets_out=packets_out-1=9，lost_out=lost_out-1=7，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=9-(2+7)+3=3，而此时cwnd=4，因此可以重传一个TCP报文No48，然后更新retrans_out=retrans_out+1=4，接着reno更新cwnd=cwnd+1=5。注意此时的ssthresh=5，因此这次cwnd更新后，TCP将从慢启动进入到拥塞避免。
No49-No51：No49是No43的ACK确认包，server端收到No49报文后更新retrans_out=retrans_out-1=3，packets_out=packets_out-1=8，lost_out=lost_out-1=6，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=8-(2+6)+3=3，而此时cwnd=5，因此TCP可以额外发出两个新的重传包No50和No51，然后更新retrans_out=retrans_out+2=5，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=1，因此cwnd_cnt<cwnd，不满足拥塞避免更新cwnd的条件，因此cwnd不更新。
No52-No53：server端收到No52后，更新retrans_out=retrans_out-1=4，packets_out=packets_out-1=7，lost_out=lost_out-1=5，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=7-(2+5)+4=4，而此时cwnd=6，因此可以额外的重传两个数据包出去，但是此时只剩下最后一个数据包等待重传了，因此server端只发出了No53重传包，然后更新retrans_out=retrans_out+1=5，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=2，cwnd不变。
No54：No54是对应No46的ACK确认包，server端收到No54后，更新retrans_out=retrans_out-1=4，packets_out=packets_out-1=6，lost_out=lost_out-1=4，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=6-(2+4)+4=4，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=3，cwnd不变。
No55：No55是对应No48的ACK确认包，server端收到No55后，更新retrans_out=retrans_out-1=3，packets_out=packets_out-1=5，lost_out=lost_out-1=3，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=5-(2+3)+3=3，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=4，cwnd不变。
No56：No56是对应No50的ACK确认包，server端收到No56后，更新retrans_out=retrans_out-1=2，packets_out=packets_out-1=4，lost_out=lost_out-1=2，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=4-(2+2)+2=2，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=5，注意这个时候cwnd_cnt已经满足拥塞避免更新cwnd的cwnd_cnt>=cwnd条件，因此reno更新cwnd=cwnd+1=6，cwnd_cnt=0。
No57：No57是对应No51的ACK确认包，server端收到No57后，更新retrans_out=retrans_out-1=1，packets_out=packets_out-1=3，lost_out=lost_out-1=1，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=3-(2+1)+1=1，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+1=1，cwnd不变。
No58：No58是数据传输过程中的最后一个报文，是对No53包的ACK确认，注意No58相对于No57，ack number新确认了三个数据包，其中包含No53、另外还有SACK块中的两个数据包即No36和No39。server端收到这个报文后会更新retrans_out=retrans_out-1=0，packets_out=packets_out-3=0，lost_out=lost_out-1=0，sacked_out=sacked_out-2=0，in_flight=packets_out - ( sacked_out + lost_out) + retrans_out=0，接着reno更新cwnd_cnt=cwnd_cnt+3=4，cwnd不变。
补充说明：
1、https://developers.google.com/speed/articles/tcp_initcwnd_paper.pdf
2、linux中三种慢启动场景对应的cwnd初始化处理代码tcp_init_sock、 tcp_enter_loss、 tcp_init_metrics、 tcp_slow_start_after_idle_check
