传输层

拥塞控制

  • 在某段时间，若对网络中某一资源的需要超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏。这种情况叫做拥塞（congestion）。
    • 在计算机网络中的链路容量（即带宽）、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。
  • 若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随负荷的增大而下降。
  • TCP的四种拥塞控制算法：慢开始（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快重传（fast retransmit）、快恢复（fast recovery）。

慢开始、拥塞避免

  • 发送方维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。
    • 拥塞窗口cwnd的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就在增大一些；但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些。
    • 判断出现网络拥塞的依据：没有按时收到应当到达的确认报文（即发生重传）。
  • 发送方将拥塞窗口作为发送窗口，即swnd = cwnd。
  • 维护一个慢开始门限ssthresh的状态变量：
    • 当cwnd < ssthresh时，使用慢开始算法，每收到一个报文段的确认cwnd加1；
    • 当cwnd > ssthtesh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法，每经过一个往返时延cwnd加1；
    • 当cwnd = ssthres时，既可以使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法。
  • “慢开始”是指一开始向网络中注入的报文段少，并不是指拥塞窗口cwnd增长速度慢；
  • “拥塞避免”并非指完全能够避免拥塞，而是指在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

快重传

  • 慢开始和拥塞避免算法是1988年提出的TCP拥塞控制算法（TCP Tahoe版本）。
  • 1990年又增加了两个新的拥塞控制算法（改进TCP的性能），这就是快重传和快恢复（TCP Reno版本）。
    • 有时，个别报文段会在网络中丢失，但实际上网络并未发生拥塞。
      • 这将导致发送方超时重传，并误认为网络发生了拥塞；
      • 发送方错误地启动慢开始算法，并把拥塞窗口cwnd又设置为最小值1，因而降低了传输效率。
  • 采用快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。
  • 所谓快重传，就是使发送方尽快进行重传，而不是等待重传计时器超时再重传。
    • 要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而是要立即发送确认；
    • 即使收到了失序（不是按照顺序来的）报文段也要立即发出对已收到报文段的重复确认；
    • 发送方一旦收到3个连续的重复确认，就将相应的报文段立即重传，而是不是等到该报文段的超时重传计时器超时在重传。
    • 对于个别丢失的报文段，发送方不会出现超时重传，也就不会误认为出现了拥塞（进而降低拥塞窗口cwnd为1）。使用快重传可以使得整个网络的吞吐量提高约20%。

快恢复

  • 发送方一旦收到3个重复确认，就知道现在只是丢失了个别的报文段。于是不启动慢开始算法，而是执行快恢复算法。令ssthresh = cwnd = cwnd/2。
  • 也有的快恢复实现是把恢复开始时的拥塞窗口cwnd值再增大一些，即等于新的ssthresh + 3；
    • 既然发送方收到3个重复的确认，就表明有3个数据报文段已经离开了网络；
    • 这3个报文段不再消耗网络资源而是停留在接收方的接收缓存中；
    • 可见现在网络中你不是堆积了报文段而是减少了3个报文段。因此可以适当把拥塞窗口扩大些。