TCP拥塞控制【书】

分析TCP的拥塞控制原理
TCP是Transmission Control Protocol的缩写，即传输控制协议，它对应于OSI七层模型中的传输层，建立于网络层之上。TCP旨在给互联网提供一种可靠的端到端的字节传输流。 

　　自从1988年问世以来，TCP在研究者的努力下先后得到了许多新的发展，目前主要的模型包括四个，即TCP TAHOE，TCP RENO，TCP NEWRENO和TCP SACK。TCP TAHOE模型是最早的TCP协议之一，它由Jacobson提出。Jacobson观察到，TCP报文段（TCP Segment）丢失有两种原因，其一是报文段损坏，其二是网络阻塞，而当时的网络主要是有线网络，不易出现报文段损坏的情况，网络阻塞为报文段丢失的主要原因。针对这种情况，TCP TAHOE对原有协议进行了性能优化，其特点是，在正常情况下，通过重传计时器是否超时和是否收到重复确认信息（dupack）这两种丢包监测机制来判断是否发生丢包，以启动拥塞控制策略；在拥塞控制的情况下，采用慢速启动（Slow Start）算法和快速重传（Fast Retransmit）算法来控制传输速率。 

　　在试验中，我们以TCP TAHOE模型为例，对TCP的拥塞控制原理进行分析，包括两种丢包监测机制和拥塞控制中的慢速启动算法和快速重传算法。 

　　1. TCP拥塞控制相关技术简介 

　　1.1 慢速启动算法 

　　在TCP TAHOE模型中，拥塞控制主要是通过调整发送端的发送速率，而这又主要是通过三个变量实现的：拥塞窗口（Congestion Window），接收端窗口（Receivers’s Window），慢速启动阈值（Slow Start Threshold，SSTHRESH）。发送端一旦监测到数据包丢失（其原因可能是重传计时器超时，亦可能是收到重复的ACK信令），它就会开始调整发送速率。这包括，ssthresh调整为当前拥塞窗口的一半，同时拥塞窗口将降低到1个报文段。然后，随着通信过程的恢复，拥塞窗口持续增长。在拥塞窗口大小未达到ssthresh之前，它以指数速度增长；到达之后则开始线性增长。有趣的是，虽然这种算法称为慢速启动算法，但实际上一点儿也不慢，它是指数增长的。 

　　1.2 快速重传算法 

　　当发送端连续收到3个对应于同一个序列号的ACK信令时，就触发了其快速重传算法，即发送端不等重传计时器超时，立即向接收端发送指定的报文段。 

　　1.3 丢包检测机制有如下两种 

　　(1). 重复ACK信令 

　　重复ACK有两个作用，其一，发送端可以确信该ACK序列号之前的TCP报文段都已经被接收端成功接收；其二，发送端可以据此判断出接收端接收到的TCP报文段发生了乱序的情况和接收端当前期待的TCP报文段序列号，从而触发其拥塞控制策略。 

　　(2). 超时重传 

　　发送端发出报文段后，在规定的时间内没有能够收到接收端返回的ACK信令，从而使得发送端认为该报文段丢失，触发其拥塞控制策略。在这里面主要涉及到重传计时器（retransmission timer），它是TCP协议中最重要的计时器。根据《Computer Networks, Fourth Edition》，当报文段发出后，重传计时器立即启动，如果发送端在计时器超时之前得到ACK，则计时器停止；如果计时器超时后仍然没有收到ACK，那么报文段就重传，并且计时器重新启动。计算超时的主要公式有： 

　　Timeout = RTT + 4×D 

　　D = α D + (1－α) | RTT － M | 

　　RTT = α RTT + (1－α) M 

　　其中M 、RTT、D均为可变值，M是当次的RTT值。