為了防止網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象，TCP提出了一系列的擁塞控制機制。最初由V.Jacobson在1988年的論文中提出的TCP的擁塞控制由“慢啟動(Slowstart)”和“擁塞避免(Congestionavoidance)”組成，后來TCPReno版本中又針對性的加入了“快速重傳(Fastretransmit)”、“快速恢復(fù)(FastRecovery)”算法，再后來在TCPNewReno中又對“快速恢復(fù)”算法進行了改進，近些年又出現(xiàn)了選擇性應(yīng)答(selectiveacknowledgement,SACK)算法，還有其他方面的大大小小的改進，成為網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點。

TCP的擁塞控制主要原理依賴于一個擁塞窗口(cwnd)來控制，在之前我們還討論過TCP還有一個對端通告的接收窗口(rwnd)用于流量控制。窗口值的大小就代表能夠發(fā)送出去的但還沒有收到ACK的最大數(shù)據(jù)報文段，顯然窗口越大那么數(shù)據(jù)發(fā)送的速度也就越快，但是也有越可能使得網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，如果窗口值為1，那么就簡化為一個停等協(xié)議，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)，都要等到對方的確認才能發(fā)送第二個數(shù)據(jù)包，顯然數(shù)據(jù)傳輸效率低下。TCP的擁塞控制算法就是要在這兩者之間權(quán)衡，選取最好的cwnd值，從而使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化且不產(chǎn)生擁塞。

由于需要考慮擁塞控制和流量控制兩個方面的內(nèi)容，因此TCP的真正的發(fā)送窗口=min(rwnd,cwnd)。但是rwnd是由對端確定的，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對其沒有影響，所以在考慮擁塞的時候我們一般不考慮rwnd的值，我們暫時只討論如何確定cwnd值的大小。關(guān)于cwnd的單位，在TCP中是以字節(jié)來做單位的，我們假設(shè)TCP每次傳輸都是按照MSS大小來發(fā)送數(shù)據(jù)的，因此你可以認為cwnd按照數(shù)據(jù)包個數(shù)來做單位也可以理解，所以有時我們說cwnd增加1也就是相當(dāng)于字節(jié)數(shù)增加1個MSS大小。

慢啟動：最初的TCP在連接建立成功后會向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包，這樣很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中路由器緩存空間耗盡，從而發(fā)生擁塞。因此新建立的連接不能夠一開始就大量發(fā)送數(shù)據(jù)包，而只能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況逐步增加每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。具體來說，當(dāng)新建連接時，cwnd初始化為1個最大報文段(MSS)大小，發(fā)送端開始按照擁塞窗口大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)有一個報文段被確認，cwnd就增加1個MSS大小。這樣cwnd的值就隨著網(wǎng)絡(luò)往返時間(RoundTripTime,RTT)呈指數(shù)級增長，事實上，慢啟動的速度一點也不慢，只是它的起點比較低一點而已。我們可以簡單計算下：

開始 --->cwnd=1

經(jīng)過1個RTT后--->cwnd=2*1=2

經(jīng)過2個RTT后---> cwnd=2*2=4

經(jīng)過3個RTT后---> cwnd=4*2=8

如果帶寬為W，那么經(jīng)過RTT*log2W時間就可以占滿帶寬。

擁塞避免：從慢啟動可以看到，cwnd可以很快的增長上來，從而最大程度利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，但是cwnd不能一直這樣無限增長下去，一定需要某個限制。TCP使用了一個叫慢啟動門限(ssthresh)的變量，當(dāng)cwnd超過該值后，慢啟動過程結(jié)束，進入擁塞避免階段。對于大多數(shù)TCP實現(xiàn)來說，ssthresh的值是65536(同樣以字節(jié)計算)。擁塞避免的主要思想是加法增大，也就是cwnd的值不再指數(shù)級往上升，開始加法增加。此時當(dāng)窗口中所有的報文段都被確認時，cwnd的大小加1，cwnd的值就隨著RTT開始線性增加，這樣就可以避免增長過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，慢慢的增加調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)的最佳值。

上面討論的兩個機制都是沒有檢測到擁塞的情況下的行為，那么當(dāng)發(fā)現(xiàn)擁塞了cwnd又該怎樣去調(diào)整呢？

首先來看TCP是如何確定網(wǎng)絡(luò)進入了擁塞狀態(tài)的，TCP認為網(wǎng)絡(luò)擁塞的主要依據(jù)是它重傳了一個報文段。上面提到過，TCP對每一個報文段都有一個定時器，稱為重傳定時器(RTO)，當(dāng)RTO超時且還沒有得到數(shù)據(jù)確認，那么TCP就會對該報文段進行重傳，當(dāng)發(fā)生超時時，那么出現(xiàn)擁塞的可能性就很大，某個報文段可能在網(wǎng)絡(luò)中某處丟失，并且后續(xù)的報文段也沒有了消息，在這種情況下，TCP反應(yīng)比較“強烈”：

1.把ssthresh降低為cwnd值的一半

2.把cwnd重新設(shè)置為1

3.重新進入慢啟動過程。

從整體上來講，TCP擁塞控制窗口變化的原則是AIMD原則，即加法增大、乘法減小?？梢钥闯鯰CP的該原則可以較好地保證流之間的公平性，因為一旦出現(xiàn)丟包，那么立即減半退避，可以給其他新建的流留有足夠的空間，從而保證整個的公平性。

其實TCP還有一種情況會進行重傳：那就是收到3個相同的ACK。TCP在收到亂序到達包時就會立即發(fā)送ACK，TCP利用3個相同的ACK來判定數(shù)據(jù)包的丟失，此時進行快速重傳，快速重傳做的事情有：

1.把ssthresh設(shè)置為cwnd的一半

2.把cwnd再設(shè)置為ssthresh的值(具體實現(xiàn)有些為ssthresh+3)

3.重新進入擁塞避免階段。

后來的“快速恢復(fù)”算法是在上述的“快速重傳”算法后添加的，當(dāng)收到3個重復(fù)ACK時，TCP最后進入的不是擁塞避免階段，而是快速恢復(fù)階段。快速重傳和快速恢復(fù)算法一般同時使用。快速恢復(fù)的思想是“數(shù)據(jù)包守恒”原則，即同一個時刻在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包數(shù)量是恒定的，只有當(dāng)“老”數(shù)據(jù)包離開了網(wǎng)絡(luò)后，才能向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一個“新”的數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送方收到一個重復(fù)的ACK，那么根據(jù)TCP的ACK機制就表明有一個數(shù)據(jù)包離開了網(wǎng)絡(luò)，于是cwnd加1。如果能夠嚴格按照該原則那么網(wǎng)絡(luò)中很少會發(fā)生擁塞，事實上擁塞控制的目的也就在修正違反該原則的地方。

具體來說快速恢復(fù)的主要步驟是：

1.當(dāng)收到3個重復(fù)ACK時，把ssthresh設(shè)置為cwnd的一半，把cwnd設(shè)置為ssthresh的值加3，然后重傳丟失的報文段，加3的原因是因為收到3個重復(fù)的ACK，表明有3個“老”的數(shù)據(jù)包離開了網(wǎng)絡(luò)。

2.再收到重復(fù)的ACK時，擁塞窗口增加1。

3.當(dāng)收到新的數(shù)據(jù)包的ACK時，把cwnd設(shè)置為第一步中的ssthresh的值。原因是因為該ACK確認了新的數(shù)據(jù)，說明從重復(fù)ACK時的數(shù)據(jù)都已收到，該恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，可以回到恢復(fù)之前的狀態(tài)了，也即再次進入擁塞避免狀態(tài)。

快速重傳算法首次出現(xiàn)在4.3BSD的Tahoe版本，快速恢復(fù)首次出現(xiàn)在4.3BSD的Reno版本，也稱之為Reno版的TCP擁塞控制算法。

可以看出Reno的快速重傳算法是針對一個包的重傳情況的，然而在實際中，一個重傳超時可能導(dǎo)致許多的數(shù)據(jù)包的重傳，因此當(dāng)多個數(shù)據(jù)包從一個數(shù)據(jù)窗口中丟失時并且觸發(fā)快速重傳和快速恢復(fù)算法時，問題就產(chǎn)生了。因此NewReno出現(xiàn)了，它在Reno快速恢復(fù)的基礎(chǔ)上稍加了修改，可以恢復(fù)一個窗口內(nèi)多個包丟失的情況。具體來講就是：Reno在收到一個新的數(shù)據(jù)的ACK時就退出了快速恢復(fù)狀態(tài)了，而NewReno需要收到該窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)包的確認后才會退出快速恢復(fù)狀態(tài)，從而更一步提高吞吐量。

SACK就是改變TCP的確認機制，最初的TCP只確認當(dāng)前已連續(xù)收到的數(shù)據(jù)，SACK則把亂序等信息會全部告訴對方，從而減少數(shù)據(jù)發(fā)送方重傳的盲目性。比如說序號1，2，3，5，7的數(shù)據(jù)收到了，那么普通的ACK只會確認序列號4，而SACK會把當(dāng)前的5，7已經(jīng)收到的信息在SACK選項里面告知對端，從而提高性能，當(dāng)使用SACK的時候，NewReno算法可以不使用，因為SACK本身攜帶的信息就可以使得發(fā)送方有足夠的信息來知道需要重傳哪些包，而不需要重傳哪些包。
編輯：hfy