TCP的流量控制和拥塞控制机制

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-07-13 12:42 150阅读 0赞

网络拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多,使得该部分网络来不及处理,以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象,严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿,即出现死锁现象。拥塞控制是处理网络拥塞现象的一种机制。  
流量控制。数据的传送与接收过程当中很可能出现收方来不及接收的情况,这时就需要对发方进行控制,以免数据丢失。

流量控制用于防止在端口阻塞的情况下丢帧，这种方法是当发送或接收缓冲区开始溢出时通过将阻塞信号发送回源地址实现的。流量控制可以有效的防止由于网络中瞬间的大量数据对网络带来的冲击，保证用户网络高效而稳定的运行。

TCP是Internet上通用的传输层协议之一，是目前应用最广泛的传输控制协议，其核心是拥塞控制机制。基于Internet的交换机的通信信道、处理速度及缓冲存储空间通常是网上所有主机共享的资源，也是网络系统潜在的瓶颈。随着信源主机数以及信源业务端业务量的不断增多，瓶颈处就有可能发生资源竞争，从而导致网络拥塞。TCP的一个重要组成部分是执行拥塞控制和拥塞恢复的算法集合。TCP拥塞控制算法的目标是最大限度利用网络带宽，同时不产生数据流传输中的拥塞现象。因此，自从上个世纪80年代出现第一次拥塞崩溃以来，TCP拥塞控制策略就在不断地进行完善和改进。  
2. 传统的TCP拥塞控制机制  
传统的TCP中的拥塞控制机制主要是基于Van Jacobson提出的"慢启动"算法、"拥塞避免"算法和一个用于估计周转RTT(round trip time)的算法。  
慢启动算法通过观察到新分组进入网络的速率应该与另一端返回确认的速率相同而进行工作。慢启动为发送方的TCP增加了另一个窗口：拥塞窗口(congestion window)， 记为cwnd。当与另一个网络的主机建立TCP连接时，拥塞窗口被初始化为1个报文段（即另一端通告的报文段大小）。每收到一个ACK，拥塞窗口就增加一个报文段（cwnd以字节为单位，但是慢启动以报文段大小为单位进行增加）。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。发送方开始时发送一个报文段，然后等待ACK。当收到该ACK时，拥塞窗口从1增加为2，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的ACK时，拥塞窗口就增加为4，这是一种指数增加的关系。在某些点上可能达到了互联网的容量，于是中间路由器开始丢弃分组。拥塞避免算法是一种处理丢失分组的方法。该算法假定由于分组受到损坏引起的丢失是非常少的（远小于1%），因此分组丢失就意味着在源主机和目的主机之间的某处网络上发生了拥塞。有两种分组丢失的指示：发生超时和接收到重复的确认。拥塞避免算法和慢启动算法是两个目的不同、独立的算法。但是当拥塞发生时，我们希望降低分组进入网络的传输速率，于是可以调用慢启动来作到这一点。在实际中这两个算法通常在一起实现。1990年出现的TCP Reno版本增加了"快速重传"算法、"快速恢复"算法，避免了当网络拥塞不够严重时采用"慢启动"算法而造成过大地减小发送窗口尺寸的现象。  
3. 拥塞控制的四个阶段  
a．慢启动阶段(slow start)：发送方一开始便向网络发送多个报文段，直至达到接收方通告的窗口大小为止。当发送方和接收方处于同一个局域网时，这种方式是可以的。但是如果在发送方和接收方之间存在多个路由器和速率较慢的链路时，就有可能出现一些问题。一些中间路由器必须缓存分组，并有可能耗尽存储器的空间。  
b．拥塞避免阶段（congestion avoidance）：当发现超时或收到3个相同ACK确认帧时，则表示有丢包事件，此时网络已发生拥塞现象，此时要进行相应的拥塞控制。将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口的一半；如检测到超时，拥塞窗口就被置为l。如果拥塞窗口小于或等于慢启动阈值，TCP重新进人慢启动阶段；如果拥塞窗口大于慢启动阈值，TCP执行拥塞避免算法。  
c．快速重传阶段(fast retransmit)：当TCP源端收到到三个相同的ACK副本时，即认为有数据包丢失，则源端重传丢失的数据包，而不必等待RTO超时。同时将ssthresh设置为当前cwnd值的一半，并且将cwnd减为原先的一半。  
d．快速恢复阶段(fast recovery) ：当"旧"数据包离开网络后，才能发送"新"数据包进入网络，即同一时刻在网络中传输的数据包数量是恒定的。如果发送方收到一个重复的ACK，则认为已经有一个数据包离开了网络，于是将拥塞窗口加1。

TCP的流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制。TCP的窗口单位是字节，不是报文段，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。

所谓的拥塞控制为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不致过载。拥塞控制索要做的都有一个前提，就是网络能承受现有的网络负荷。流量控制往往指点对点通信量的控制，是一个端到端的问题。因特网建议标准RFC2581定义了进行拥塞控制的四种算法，即慢开始（Slow-start)，拥塞避免（Congestion Avoidance)快重传（Fast Restrangsmit)和快回复（Fast Recovery）。