TCP-IP学习笔记回顾-4.7 TCP的流量控制-4.8 TCP的拥塞控制【重点】

分手后的思念是犯贱 2022-01-12 02:15 213阅读 0赞

**4.7 TCP的流量控制**  
流量控制（flow control）就是让发送方的发送率不要太快，要让接受方来得及接收。利用**滑动窗口机制**可以很方便地在TCP连接上实现对发送方的流量控制。发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值。TCP的窗口单位是字节，不是报文段。

**4.8 TCP的拥塞控制【重点】**  
在计算机网络中的链路容量（即带框），交换节点中的缓存和处理机的速度等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生**拥塞(congestion)**。  
**增加资源不能解决拥塞**。因为**网络拥塞是一个非常复杂的问题**。简单地采用上述做法，在许多情况下，不但不能解决拥塞问题，而且还可能使网络的性能更坏。  
网络拥塞往往是由许多因素引起的。如：  
**（1）增大缓存，但未提高输出链路的容量和处理机的速度，排队等待时间将会大大增加，引起大量超时重传，解决不了网络拥塞；  
（2）提高处理机处理的速率会会将瓶颈转移到其他地方；**  
拥塞引起的重传并不会缓解网络的拥塞，反而会加剧网络的拥塞。  
**拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中**，这样可以使网络中的路由器或链路器不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。相反，流量控制往往指点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5NDc2NzU2NzY_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
图中横坐标是提供的负载（offered load），代表单位时间内输入给网络的分组数目。因此提供的负载也称为输入负载或网络负载。纵坐标是吞吐量（throughput），代表单位时间从网络输出的分组数目。  
• 拥塞控制是很难设计的，因为它是一个**动态**的（而不是静态的）问题。  
• 当前网络正朝着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。  
• 在许多情况下，甚至正是**拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因**。这点应特别引起重视。

\*\*拥塞控制可分为开环控制和闭环控制两种方法。\*\*开环控制方法就是在涉及网络时实现将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生拥塞。  
闭环控制是基于反馈环路的概念。以下是闭环控制的具体措施：  
（1）检测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。  
（2）把拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。  
（3）调整网络系统的运行以解决出现的问题。

**几种拥塞控制方法（算法）：  
慢开始（slow-start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快重传（fast retransmit）和快恢复（fast recovery）。  
1.慢开始和拥塞避免**  
发送方维持一个叫做\*\*拥塞窗口cwnd（congestion window）\*\*的状态变量。**拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化**。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。

**慢开始算法的思路就是，不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。**  
这里用报文段的个数的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5NDc2NzU2NzY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
当然收到单个确认但此确认多个数据报的时候就加相应的数值。所以**一次传输轮次之后拥塞窗口就加倍。这就是乘法增长**，和后面的拥塞避免算法的加法增长比较。  
为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，还需设置一个\*\*慢开始门限(ssthresh)\*\*状态变量。ssthresh的用法如下：  
**当cwnd<ssthresh时，使用慢开始算法。  
当cwnd>ssthresh时，改用拥塞避免算法。  
当cwnd=ssthresh时，慢开始与拥塞避免算法任意。**

**拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。  
无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。(个人觉得书上说得不完全,自己加的–>）慢开始阶段出现拥塞时，拥塞窗口大小为慢开始门限值。当为拥塞避免阶段时，把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5NDc2NzU2NzY_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
再次提醒这里只是为了讨论方便而将拥塞窗口大小的单位**改为数据报的个数，**实际上应当是字节**。  
乘法减小：出现超时，慢开始门限值为拥塞窗口值乘以 0.5  
“乘法减小“是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现一次超时（即出现一次网络拥塞），**就把慢开始门限值 ssthresh 设置为当前的拥塞窗口值乘以 0.5**。  
网络频繁出现拥塞时，ssthresh 值就下降得很快，以大大减少注入到网络中的分组数。  
**加法增大：拥塞避免阶段，拥塞窗口+1**  
“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，在收到对所有报文段的确认后（即经过一个往返时间），就把拥塞窗口 cwnd增加一个 MSS 大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

**2.快重传和快恢复**  
快重传我理解的意思就是：**还没等到重传计时器到期就开始重传报文段**。  
快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。**快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5NDc2NzU2NzY_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
快重传配合使用的还有快恢复**算法，有以下两个要点:  
①当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。  
②考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小（快恢复），然后执行拥塞避免算法。如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p5NDc2NzU2NzY_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**自己对TCP拥塞控制这个过程的理解**：由于最开始不知道网络的负荷情况，（***阶段1***）采用**慢开始算法**，拥塞窗口cwdn从1开始，每经过一个传输轮次，cwnd就加倍。当cwnd增加到32时，网络出现超时（假设超过24有可能网络发生了拥塞）。前面慢开始和拥塞避免中提到，无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞，就把**慢开始门限ssthresh设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半**（“**乘法减小**”），即**ssthresh=cwnd/2**=32/2=16。（***阶段2***）当拥塞窗口cwnd增大超过慢开始门限ssthresh时，就改为执行**拥塞避免算法**，每经过一个传输轮次，cwnd就加1（“**加法增大**”）。**直到**拥塞窗口的值增大到24时，（阶段3）**网络再次出现超时**，**当发送方连续收到三个重复确认，这时就会采用“快重传快回复算法**”，新的cwnd=新的**ssthresh**=旧**cwnd/2**=24/2=12（**cwnd就不像之前那样采用慢开始算法设为1了**）。然后开始执行**拥塞避免算法（“加法增大”）**，使拥塞窗口线性的增大。  
在采用快回复算法时，**慢开始算法只是在TCP连接建立时（试探网络的负载情况）和网络出现超时时才能使用**。

接收方根据自己的接收能力设定了接收窗口rwnd，并把这个窗口值写入TCP首部中的窗口字段，传送给发送方。因此，**接收窗口又称为通知窗口**。因此，从接收方对发送方的流量控制的角度考虑，发送方的发送窗口一定不能超过对方给出的接收窗口rwnd 。  
发送方窗口的上限值 = Min \[ rwnd, cwnd \]  
当rwnd < cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送方窗口的最大值。  
当cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送方窗口的最大值。

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