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前言

??TCP協議中的流量和擁塞，是兩個關鍵的控制指標，兩者的側重點也是不一樣的：

• 流量控制：側重于控制點對點通信中發送方與接收方的流量，保證發送方的發送速率不高于接收方的接收速率，避免接收方的緩存溢出。
• 擁塞控制：側重于控制全局網絡中的主機，路由器，按照擁塞控制算法，自行控制發送速率。防止過多的數據注入到網絡中，使網絡可以承受現有的負荷。

一、TCP流量控制

??流量控制的目的，是為了避免發送方的發送速率高于接收方的接收速率，具體是接收方根據自己的接收能力，控制發送方的發送速率。
??控制手段則是通過發送方的發送窗口swnd（s:send）和接收方的接收窗口rwnd（r:receive）。

1.1、案例：三次流量控制

??TCP流量控制的過程，假設我有A和B兩臺主機，A是發送方，B是接收方。那么在建立連接時，B應該通知A，自己的接收窗口是多少，A相應地將自己的發送窗口也設置相同的大小：

??A發送出第一個報文段，對應的是1-100：

??A發送出第二個報文段，對應的是101-200：

??發送第三個報文段，丟失：

??主機B給主機A發送累計確認報文段，對seq為201之前的數據進行累計確認

??在累計確認的同時，接收方通知發送方，自己的rwnd大小發生了變更，則發送方在將自己發送數據的滑動窗口向前滑動時，也要將自己的swnd同步變更，當前的rwnd和滑動窗口如圖所示，這是第一次流量控制的體現

??隨后發送301~500的數據。

??201到300的重傳計時器超時了，主機A將其重新封裝成一個TCP報文段進行發送，主機B發送一個確認報文段，同時調整自身的接收窗口為100：

??這是第二次流量控制的體現

??最后發送501~600的數據，并且接收方進行確認，并進行最后一次流量控制，將rwnd設置為0，表示不再接受數據，有可能是因為接收方的緩存區已滿。

??上述的過程，就是一次完整的流量控制。

1.2、持續計時器

??接著上面的案例，假設最后一次流量控制之后，接收方B處理完成了數據，緩存區又有了空間，準備繼續接收發送方A的數據，這時B需要再次對A進行流量控制，將自身的rwnd調整至300：

??但是消息在發送的過程中丟失了，那么就會出現A一直等待B的非零窗口通知，B一直等待A發送消息，造成通信死鎖的情況。
??為了解決這樣的問題，TCP給每一個連接都設置了一個持續計時器，并且規定，即使接收窗口值為0，也必須接受零窗口探測報文段，確認報文段以及攜帶有緊急數據的報文段：

二、TCP擁塞控制

??網絡擁塞問題是指網絡中傳輸的數據過多，超過了網絡設備（如路由器、交換機）或鏈路的處理能力，導致網絡性能下降的現象。就像高峰期的馬路：

• 如果車（數據包）太多，馬路（網絡）就會堵；
• 堵車后，不僅原來開的慢，新車也進不來；
• 嚴重時還可能發生車輛回退（丟包）、繞路（重傳）甚至“交通癱瘓”（網絡崩潰）。

??如果不加以控制，導致的就是整個網絡的崩潰，類似于微服務的雪崩。

??擁塞控制的基本方法，分為開環控制和閉環控制：

• 開環控制側重于從設計的角度避免出現擁塞的問題，前提是要提前知道進行控制的網絡的參數和流量。
• 閉環控制側重于從運行時的角度避免擁塞的問題，即對于網絡進行監控，及時接受反饋并且調整。

??閉環控制，又可以分為顯式控制算法和隱式控制算法：

• 顯式控制算法指的是，路由器向源點反饋網絡的擁塞狀態，即路由器擁塞，丟棄IP數據報，并且通知源站，通知同樣需要利用網絡通信，通知的行為，可能會造成網絡更加擁堵。可以在路由器的轉發分組中，保留一個字段，該字段的值表示網絡的擁塞狀態。
• 隱式控制算法指的是，源站點自己對網絡的指標進行觀察，判斷網絡是否發生擁塞。TCP使用的就是隱式控制算法。

2.1、擁塞控制的指標

??對于發送方而言，指標有發送窗口swnd（s:send），擁塞窗口cwnd（c:crowded），對于接收方而言，指標有接收窗口rwnd（r:reveive）
??只有序號落入swnd的數據，發送方才可以進行發送，swnd的取值，是cwnd和rwnd的最小值。
??rwnd用于控制流量，cwnd用于控制擁塞

2.2、慢開始算法和擁塞避免算法

??慢開始算法和擁塞避免算法，通常配合使用，這里加入了一個ssthresh慢開始門限的指標：

??使用慢開始算法和擁塞避免算法組合時，首先運用的是慢開始算法，將cwnd進行逐次指數累加，直到到達ssthresh的值：

??然后改用擁塞避免算法，每個輪次cwnd的值只能 + 1，而不像慢開始算法，可以指數增長，當發生了重傳和報文段丟失的情況，說明網絡中出現了擁塞，就需要調整擁塞窗口cwnd和ssthresh的值，然后重新執行慢開始算法。

1. ssthresh的值調整為發生擁塞時，擁塞窗口cwnd值的一半。
2. cwnd的值重置為1。

??最終的曲線如下：

2.3、快重傳算法和快恢復算法

??快重傳算法和快恢復算法是對于慢開始算法和擁塞避免算法的改進。因為后者可能會存在一個問題，也就是如果路由器是因為請求出現了誤碼，才將其丟棄**（非網絡出現擁塞）**，源站是無法判斷這種情況的，會將cwnd的值重置為1重新開始，降低了效率。
??快重傳算法的目的是讓發送方盡快知道TCP報文段的丟失，從而盡快地進行重新傳輸，就要求接收方在收到消息后，立刻進行ack。

??如下圖，如果TCP沒有接收到3號報文段，就會在后續報文段到達時，**發送對未收到報文段的重復確認。**當發送方接收到3次重復確認后，就對丟失的報文進行立刻重傳（接收方在接收到M4后，發現M3并沒有接收到，于是重復確認M2，重復確認M2到達3次后，發送方立刻重傳M2）

??當發送方接收到3次重復確認后，同時也會執行快恢復算法 + 擁塞避免算法：

1. ssthresh的值調整為cwnd值的一半。
2. cwnd的值調整為cwnd值的一半。

??最終的曲線如下圖：

2.4、練習

??這道題的答案是C。擁塞窗口為16KB時發生了超時，那么此時的指標：

• ssthresh：16/2 = 8
• cwnd：1

??然后重新使用慢開始算法：

RTT	cwnd
1	2
2	4
3	8（到達了ssthresh，轉換為擁塞避免算法）
4	8 + 1 = 9

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??這道題的答案是A。同樣地，擁塞窗口為8KB時發生了超時，那么此時的指標：

• ssthresh：8/2 = 4
• cwnd：1

??然后重新使用慢開始算法：

RTT	cwnd
1	2
2	4（到達了ssthresh，轉換為擁塞避免算法）
3	5
4	6
5	7
…	…
10	12

??這一題比上一題多了一個考察點，發送窗口swnd 是 rwnd 和 cwnd 的較小值。 min（12,10）= 10。

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??這道題的答案選A：

三、TCP擁塞控制與網際層擁塞控制

??與運輸層TCP擁塞控制相關的，是網際層路由器對于IP數據報的丟棄策略。由于路由器的緩存隊列是標準的“先進先出”的結構，隊列已滿，則會丟棄最后的元素。
??當多個發送行為觸發尾部丟棄時，這些發送方都會進入慢開始狀態，稱為全局同步，會導致同一時刻網絡流量的驟降，以及之后的持續增高。
??為了避免這樣的問題，提出了主動隊列管理的概念，其核心思想在于避免出現路由器緩存隊列已滿的情況，當隊列長度達到某個閾值時，就觸發丟棄策略：

總結