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TCP拥塞控制
1引言Internet中拥塞控制的大部分工作是由TCP完成的，目前标准TCP协议的实现都包含了一些避免和控制网络拥塞的算法。当今Internet的可靠性和稳定性与TCP拥塞控制机制密不可分，而TCP的成功也要归功于其稳固的拥塞控制机制。随着应用要求的日益丰富和技术的不断发展，要想完全依赖实现在终端系统上的策略和算法很难满足服务质量（QoS）这样复杂的要求，为了解决相应的问题，相关网络技术逐渐转向网络的中间节点即路由器上，通过增强它们的功能来实现端到端无法达到的技术，从而达到有效的拥塞控制，保持网络的良好性能。2产生拥塞的原因当一个网络中出现太多报文分组的时候，网络的性能开始下降，这种情况称为拥塞。拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源的需求超过了其固有的容量，这是产生拥塞的根本原因，而端到端之间却存在着直接的原因，主要有：1.存储空间相对不足。主要表现在理由器上，虽然增加存储空间有时可以缓解拥塞的产生，但有时候不但不能缓解拥塞，反而会加剧拥塞。2.带宽容量不足。低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。3.链路与CPU的处理速度不匹配，造成处理能力弱，速度慢从而引起拥塞。3TCP的拥塞控制机制3.1加法增加乘法减少（AIMD）算法TCP作为Internet上使用最广泛的端到端传输协议，它的拥塞控制机制主要基于加法增加乘法减少(AIMD)算法，该算法定义了3个窗口变量：(1)拥塞窗口(cwnd)：它限定了在拥塞控制中源端在一时间段里的最大数据传输量，是来自源端的流量控制。(2)通告窗口(awnd)：接受端与源端建立连接后，接收端通告源端它的最大可接受速率，它是来自接受端的流量控制。(3)有效窗口(win):即源端发送数据的实际窗口大小，定义为win=min(cwnd,awnd)AIMD的工作过程可分为两步：(1)源端每收到一个来自接受端的ACK确认,拥塞窗口按cwnd=cwnd+MSS*(MSS/cwnd)(MSS为分组大小)增大，它所表示的实际意义是如果源端发送的分组都在最近的往返时间(RTT)内获得确认,源端就将cwnd加1，即加法增加思想。(2)当数据传送发生超时，TCP认为路线上出现拥塞，并开始减小源端的数据发送速率。每发生一次超时，源端就会重新计算拥塞窗口的值，公式如下：
cwnd=cwnd/2
它表示发生一次超时，拥塞窗口将在原来基础上减小一半，即乘法减少思想。3.2TCP拥塞控制的四个阶段这是TCP拥塞控制的核心，也体现了TCP拥塞控制的基本思想，它分为启动阶段，拥塞避免，快速重传和快速恢复阶段。(1)启动阶段当连接刚建立或在发生一次超时的情况下，进入慢启动阶段。一个新的TCP连接建立后，cwnd被初始化为1，源端只被允许发送一个报文段。当发出的报文收到接受端的ACK确认后，cwnd加1，即增加一个报文段发送。在这个阶段中，cwnd随RTT呈指数增长。采用慢启动方法，可以防止TCP在启动一个新的连接时发送过多的数据而造成数据丢失和网络拥塞，同时，由于cwnd实际上以指数规律增长也就避免了单纯的AIMD算法造成的吞吐量增加过慢的问题。cwnd的无限增长必将引起网络拥塞，于是引入一个状态变量：慢启动阈值ssthresh。当cwnd<ssthresh时，TCP执行慢启动算法，cwnd随RTT呈指数增长；当cwnd>ssthresh是，则采用拥塞避免算法，减缓cwnd的增长速度。(2)拥塞避免阶段在拥塞避免阶段，当TCP探测到网络将要发生拥塞，并没有直接采用复位cwnd＝1，重新开始慢启动的方法。因为一旦发生拥塞，需要很长的时间来恢复，而慢启动算法中cwnd的指数增长就显得有些激进，它很可能会加重网络拥塞。因此，在这个阶段，采用相对更保守的调节机制改变awnd的增长方式，使它由指数增长变成线性增长，具体过程如下：1.将慢启动阈值ssthresh设置为当前cwnd的一半，即ssthresh=cwnd/2；2.发生超时时，置cwnd=1,在cwnd<ssthresh条件下，TCP执行慢启动；3.awnd>=ssthresh时，执行拥塞避免算法，cwnd每收到一个ACK确认时，只增加1/cwnd个数据包这就使得cwnd随RTT呈线性增长。(3)快速重传和快速恢复阶段由于在拥塞避免阶段，当发生超时时，cwnd重新置1，进入慢启动，这将导致过大减小发送窗口尺寸，很大程度上降低了TCP连接的吞吐量。为了完善TCP的性能，又引入了快速重传和快速恢复机制。快速重传阶段，当源端收到3个或者3个以上的重复ACK确认，即认为发生了数据包丢失，此时将ssthresh设置为当前cwnd的一半，ssthresh=awnd/2，并重新传送丢失的数据包，进入快速恢复阶段。在快速恢复阶段，源端每收到一个重复的ACK，则cwnd加1；