拥塞控制原理
拥塞： 在某段时间，若对网络中资源(带宽、交换节点缓存，处理机)的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏，这种现象就称为拥塞。
拥塞的危害：
若网络中的许多资源同时产生拥塞，网络的性能就明显会变坏，整个网络的吞吐量将下降的严重。
出现拥塞的原因：对资源的需求和 大于 可用资源
增加资源能解决拥塞吗？
不能。网络拥塞是一个非常复杂的问题，很多情况下，不能解决网络拥塞问题。
网络拥塞往往是由许多因素引起的，例如：
- 增大缓存，但是却未提高输出链路的容量和处理机的速度，排队等待的时间将会大大的增加，引起大量超时重传，解决不了网络拥塞。
- 提高处理机处理的速率，会将瓶颈转移到其他地方，解决不了网络拥塞
- 若一个路由器没有足够的缓存空间，则就会丢弃一些新的分组，但是分组被丢弃之后，发送分组的发送端会继续重传该分组，可能重传多次。这样会引起更多的分组流入网络被网络中的路由器丢弃。可见，拥塞引起的重传反而会加剧网络拥塞。
TCP拥塞控制的方法
TCP采用基于窗口的方法进行拥塞控制。TCP发送维持一个拥塞窗口CWND
- 拥塞窗口大大小取决于网络拥塞程度，并且动态的变化
- 发送端利用拥塞窗口根据网络的拥塞情况调整发送的数据量
- 所以，发送窗口的大小不仅仅取决于接收方公告的接收窗口，还取决于网络的拥塞状况，所以真正的发送窗口的窗口值为：
真正的发送窗口值 = min(公告窗口值，拥塞窗口值）
拥塞窗口的原则：
- 只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就可以再大一些，以便把更多分组发送出去，这样可以提高网络的利用率
- 但是只要网络罗出现拥塞，就必须把拥塞窗口减小一些，以减少注入到网络中的分组数，以便缓解网络出现的拥塞
两种拥塞的方式：
-
重传定时器超时 —启用拥塞避免算法
通信的线路一般质量都很好，因传输出差错而丢弃分组的概率很小的。只要是出现了超时，就说明网络中出现了拥塞。 -
收到三个相同的ACK回复 – 启用快重传算法与快恢复算法
个别报文端在网络中丢失，预示着可能会出现拥塞，因此可以尽快采取控制措施，避免拥塞
TCP拥塞控制算法
- 慢开始
- 拥塞避免
- 快重传
- 快恢复
慢开始
算法思路：有小到大逐渐增大拥塞窗口的数值。
初始的拥塞窗口cwnd设置： 初始的cwnd窗口大小设置为1到2个发送方最大报文段(MSS)的大小
并且引入了一个新概念：
慢开始门限ssthresh（状态变量）：防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络阻塞。到达慢开始门限就开始拥塞控制。
传输轮次的概念：
- 使用慢开始算法后，没经过一个传输轮次，拥塞窗口cwnd就加倍。
- 一个传输轮次所经历的时间就是往返时间RTT（报文的最大生命周期）
例如：拥塞窗口cwnd = 4, 这是往返时间RTT就是发送方连续发送4个报文段，并收到这4个报文段的确认，总共经历的时间。
慢开始算法中cwnd随着传输轮次而加倍的过程：
设置慢开始门限状态变量ssthresh
慢开始门限ssthresh的用法如下：
- 当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法
- 当cwnd > ssthresh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法
- 当cwnd == ssthresh时，既可以使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法。
拥塞避免算法
算法思路：
让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的阻塞窗口cwnd +1, 使拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长。
注意：拥塞避免 并非能够完全避免了拥塞，而是说在拥塞避免阶段是按照线性规律增长的，使网络比较不容易出现拥塞。
当网络出现拥塞时（针对于重传定时器超时的拥塞）：
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要网络出现拥塞（重传定时器超时）：
- ssthresh = max(cwnd/2,2)
- cwnd = 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，使得发送拥塞的路由器有足够时间把队列中的分组处理完毕。
快重传算法
采用快重传FR算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。
快重传算法：首先要求接收方不要等待自己发送数据时才进行稍待确认，而是要立即发送确认，即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到报文段的重复确认。
发送发只要一连收到三个重复确认，就知道接收方确实没有收到报文段，因而应当立即进行快重传，这样就不会出现超时，发送方也不会误认为出现了网路拥塞。提高网络的吞吐量。
快重传的示意图：
快恢复算法：
当发送端收到连续三个重复的ACK确认时，由于发送方现在认为网络很有可能没有阻塞，因此现在不执行慢开始算法，而是执行快恢复算法。
- 慢开始门限ssthresh = 当前拥塞窗口 = cwnd/2
- 新拥塞窗口cwnd = 慢开始门限ssthresh
- 开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢的线性增大。
四种算法的实现举例
规定：发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口cwnd和接收端窗口rwnd中的最小值。我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。
- 当TCP连接进行初始化时，将拥塞窗口置为1。图中的窗口单位使用的是报文段。 慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即ssthresh = 16
- 在执行慢开始算法时，拥塞窗口cwnd = 1，发送第一个报文段。发送方没收到一个对新报文段的确认ACK，就把拥塞窗口的值翻倍，然后开始下一轮的传输。因此拥塞窗口cwnd随着传输轮次按指数规律增长。
- 当拥塞窗口cwnd增长到慢开始门限值ssthresh时(图中的点1，此时的拥塞窗口cwnd=16),就改为执行阻塞避免算法，拥塞窗口按规律线性增长。
- 当拥塞窗口cwnd = 24时，网络中出现了超时(图中2），发送方判断为网络拥塞。于是调整门限值， ssthresh = cwnd / 2 = 12,同时设置拥塞窗口cwnd = 1, 进入慢开始阶段
- 按照慢开始算法，发送方每收到一个对新报文段的确认ACK,就把拥塞窗口值加1。当拥塞窗口swnd = ssthresh = 12时(图中3），改为拥塞避免算法，继续按线性规律增大。
- 当拥塞窗口cwnd = 16时，出现了一个新的情况，就是发送发一连收到3个对同一报文段的ACK重复确认(图中4),发送发改为执行快速重传和快恢复算法。
- (图中4)发送方直到现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始，而是执行快恢复算法。发送方调整门限ssthresh = cwnd/ 2 = 8，同时设置拥塞窗口 cwnd = ssthresh = 8(图中的5)，并开始执行拥塞避免算法。
总结：
在拥塞避免阶段，拥塞窗口是按照线性规律增大的，通常称为"加法增大"。(AI)
当出现超时或3个重复的确认时，就要把门限值设置为当前拥塞窗口值的一半，并大大减小拥塞窗口的数值。 这通常称为"乘法减小" (MD)
二者合在一起就是所谓的 AIMD算法
TCP阻塞控制流程图：