理解 TCP 拥塞控制（译）

TCP Congestion Control

TCP 通过减小发送窗口大小来处理拥塞，发送窗口的大小由以下两个因素共同决定：

1. 接收窗口大小（Receiver window）
2. 拥塞窗口大小（Congestion window）

接收窗口大小

接收窗口大小是一种接收端对发送端的告知：用来说明接收者总计能接收多少字节未确认数据

• 发送端发送的数据量不得大于接收窗口大小，否则会存在 TCP 报文丢失进而导致 TCP 重传（TCP Retransmission）
• 发送端发送的数据量应小于等于接收窗口大小，发送者通过 TCP 头（TCP Header）得知接收者接收窗口大小

拥塞窗口大小

• 发送端发送的未确认数据不得大于拥塞窗口大小，否则会使得 TCP 报文段丢弃进而导致 TCP 重传
• 发送者发送的未确认数据应小于等于拥塞窗口大小，拥塞窗口的概念只存在于发送端

发送窗口的大小取接收窗口和拥塞窗口的最小值

Sender window size = Minimum (Receiver window size, Congestion window size)

TCP 应对拥塞的策略

TCP 应对拥塞的策略由三阶段组成：慢启动（Slow Start），拥塞避免（Congestion Avoidance）和拥塞探知（Congestion Detection）

慢启动阶段

一开始发送端设置拥塞窗口等于一个最大报文段（1 MSS）。在接收到确认 ACK 后，发送端把拥塞窗口增加 1 MSS，整个过程中拥塞窗口按照预设规则增大（指数级）

Congestion window size = Congestion window size + Maximum segment size

一轮 ACK 过后，拥塞窗口 = $(2)^1$ = 2 MSS
二轮 ACK 过后，拥塞窗口 = $(2)^2$ = 4 MSS
三轮 ACK 过后，拥塞窗口 = $(2)^3$ = 8 MSS
......

整个过程一直持续，直到拥塞窗口大小达到慢启动阈值（slow start threshold）

Threshold = Maximum number of TCP segments that receiver window can accommodate / 2
= (Receiver window size / Maximum Segment Size) / 2

拥塞避免阶段

拥塞窗口达到阈值后，为避免拥塞发送端改为线性的增加拥塞窗口大小
接收到每个 ACK 后，发送端只对拥塞窗口增加 1 MSS

Congestion window size = Congestion window size + 1

整个过程一直持续，直到拥塞窗口大小增大到接收窗口大小

拥塞感知阶段

发送端检测到报文丢失时，根据不同方式感知到的报文丢失会采取不同的策略来处理

方式一：通过超时感知拥塞（Time Out）
接收者经历超时时间后却没收到报文确认 ACK，说明有大概率存在网络拥塞，这时报文段可能已经丢失

发送端的应对策略：

• 设置慢启动阈值为当前拥塞窗口大小的一半
• 设置拥塞窗口大小为 1 MSS
• 恢复到慢启动阶段

方式二：收到三个重复 ACK 感知拥塞
发送端接收到三个重复的 ACK 说明存在小概率网络拥塞，
虽然报文存在丢失的可能，但接下来发送的报文应该可以顺利到达

发送端的应对策略：

• 设置慢启动阈值为当前拥塞窗口大小的一半
• 拥塞窗口减小到慢启动阈值
• 恢复到拥塞避免阶段