TCP拥塞控制算法简介

 最近花了些时间在学习TCP/IP协议上,首要原因是由于本人长期以来对TCP/IP的认识就只限于三次握手四次分手上,所以希望深入了解一下。再者,TCP/IP和Linux系统层级的很多设计都可以用于中间件系统架构上,比如说TCP 拥塞控制算法也可以用在以响应时间来限流的中间件上。更深一层,像TCP/IP协议这种基础知识和原理性的技术,都是经过长时间的考验的,都是前人智慧的结晶,可以给大家很多启示和帮助。

 本文中会出现一些缩写,因为篇幅问题,无法每个都进行解释,如果你不明白它的含义,请自己去搜索了解,做一个主动寻求知识的人。

 TCP协议有两个比较重要的控制算法,一个是流量控制,另一个就是阻塞控制。

 TCP协议通过滑动窗口来进行流量控制,它是控制发送方的发送速度从而使接受者来得及接收并处理。而拥塞控制作用于整体网络,它是防止过多的包被发送到网络中,避免出现网络负载过大,网络拥塞的情况。

 拥塞算法需要掌握其状态机和四种算法。拥塞控制状态机的状态有五种,分别是Open,Disorder,CWR,Recovery和Loss状态。四个算法为慢启动,拥塞避免,拥塞发生时算法和快速恢复。

Congestion Control State Machine

 和TCP一样,拥塞控制算法也有其状态机。当发送方收到一个ACK时,Linux TCP通过状态机的状态来决定其接下来的行为,是应该降低拥塞窗口cwnd大小,或者保持cwnd不变,还是继续增加cwnd。如果处理不当,可能会导致丢包或者超时。

1 Open状态

 Open状态是拥塞控制状态机的默认状态。这种状态下,当ACK到达时,发送方根据拥塞窗口cwnd(Congestion Window)是小于还是大于慢启动阈值ssthresh(slow start threshold),来按照慢启动或者拥塞避免算法来调整拥塞窗口。

2 Disorder状态

 当发送方检测到DACK(重复确认)或者SACK(选择性确认)时,状态机将转变为Disorder状态。在此状态下,发送方遵循飞行(in-flight)包守恒原则,即一个新包只有在一个老包离开网络后才发送,也就是发送方收到老包的ACK后,才会再发送一个新包。

3 CWR状态

 发送方接收到一个显示拥塞通知时,并不会立刻减少拥塞窗口cwnd,而是每收到两个ACK就减少一个段,直到窗口的大小减半为止。当cwnd正在减小并且网络中有没有重传包时,这个状态就叫CWR(Congestion Window Reduced,拥塞窗口减少)状态。CWR状态可以转变成Recovery或者Loss状态。

4 Recovery状态

 当发送方接收到足够(推荐为三个)的DACK(重复确认)后,进入该状态。在该状态下,拥塞窗口cnwd每收到两个ACK就减少一个段(segment),直到cwnd等于慢启动阈值ssthresh,也就是刚进入Recover状态时cwnd的一半大小。 发送方保持 Recovery 状态直到所有进入 Recovery状态时正在发送的数据段都成功地被确认,然后发送方恢复成Open状态,重传超时有可能中断 Recovery 状态,进入Loss状态。

5 Loss状态

 当一个RTO(重传超时时间)到期后,发送方进入Loss状态。所有正在发送的数据标记为丢失,拥塞窗口cwnd设置为一个段(segment),发送方再次以慢启动算法增大拥塞窗口cwnd。

 Loss 和 Recovery 状态的区别是:Loss状态下,拥塞窗口在发送方设置为一个段后增大,而 Recovery 状态下,拥塞窗口只能被减小。Loss 状态不能被其他的状态中断,因此,发送方只有在所有 Loss 开始时正在传输的数据都得到成功确认后,才能退到 Open 状态。

四大算法

 拥塞控制主要是四个算法:1)慢启动,2)拥塞避免,3)拥塞发生,4)快速恢复。这四个算法不是一天都搞出来的,这个四算法的发展经历了很多时间,到今天都还在优化中。

慢热启动算法 – Slow Start

 所谓慢启动,也就是TCP连接刚建立,一点一点地提速,试探一下网络的承受能力,以免直接扰乱了网络通道的秩序。

 慢启动算法:

1) 连接建好的开始先初始化拥塞窗口cwnd大小为1,表明可以传一个MSS大小的数据。 2) 每当收到一个ACK,cwnd大小加一,呈线性上升。 3) 每当过了一个往返延迟时间RTT(Round-Trip Time),cwnd大小直接翻倍,乘以2,呈指数让升。 4) 还有一个ssthresh(slow start threshold),是一个上限,当cwnd >= ssthresh时,就会进入“拥塞避免算法”(后面会说这个算法)

拥塞避免算法 – Congestion Avoidance

 如同前边说的,当拥塞窗口大小cwnd大于等于慢启动阈值ssthresh后,就进入拥塞避免算法。算法如下:

1) 收到一个ACK,则cwnd = cwnd + 1 / cwnd 2) 每当过了一个往返延迟时间RTT,cwnd大小加一。

 过了慢启动阈值后,拥塞避免算法可以避免窗口增长过快导致窗口拥塞,而是缓慢的增加调整到网络的最佳值。

拥塞状态时的算法

 一般来说,TCP拥塞控制默认认为网络丢包是由于网络拥塞导致的,所以一般的TCP拥塞控制算法以丢包为网络进入拥塞状态的信号。对于丢包有两种判定方式,一种是超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时,另一个是收到三个重复确认ACK。

 超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制,其原理是在发送一个数据以后就开启一个计时器,在一定时间内如果没有得到发送数据报的ACK报文,那么就重新发送数据,直到发送成功为止。

 但是如果发送端接收到3个以上的重复ACK,TCP就意识到数据发生丢失,需要重传。这个机制不需要等到重传定时器超时,所以叫做快速重传,而快速重传后没有使用慢启动算法,而是拥塞避免算法,所以这又叫做快速恢复算法。

 超时重传RTO[Retransmission Timeout]超时,TCP会重传数据包。TCP认为这种情况比较糟糕,反应也比较强烈:

  • 由于发生丢包,将慢启动阈值ssthresh设置为当前cwnd的一半,即ssthresh = cwnd / 2.
  • cwnd重置为1
  • 进入慢启动过程

 最为早期的TCP Tahoe算法就使用上述处理办法,但是由于一丢包就一切重来,导致cwnd重置为1,十分不利于网络数据的稳定传递。

 所以,TCP Reno算法进行了优化。当收到三个重复确认ACK时,TCP开启快速重传Fast Retransmit算法,而不用等到RTO超时再进行重传:

  • cwnd大小缩小为当前的一半
  • ssthresh设置为缩小后的cwnd大小
  • 然后进入快速恢复算法Fast Recovery。

快速恢复算法 – Fast Recovery

 TCP Tahoe是早期的算法,所以没有快速恢复算法,而Reno算法有。在进入快速恢复之前,cwnd和ssthresh已经被更改为原有cwnd的一半。快速恢复算法的逻辑如下:

  • cwnd = cwnd + 3 * MSS,加3 * MSS的原因是因为收到3个重复的ACK。
  • 重传DACKs指定的数据包。
  • 如果再收到DACKs,那么cwnd大小增加一。
  • 如果收到新的ACK,表明重传的包成功了,那么退出快速恢复算法。将cwnd设置为ssthresh,然后进入拥塞避免算法。

 如图所示,第五个包发生了丢失,所以导致接收方接收到三次重复ACK,也就是ACK5。所以将ssthresh设置为当时cwnd的一半,也就是6/2 = 3,cwnd设置为3 + 3 = 6。然后重传第五个包。当收到新的ACK时,也就是ACK11,则退出快速恢复阶段,将cwnd重新设置为当前的ssthresh,也就是3,然后进入拥塞避免算法阶段。

后记

 本文为大家大致描述了TCP拥塞控制的一些机制,但是这些拥塞控制还是有很多缺陷和待优化的地方,业界也在不断推出新的拥塞控制算法,比如说谷歌的BBR。这些我们后续也会继续探讨,请大家继续关注。

引用

  • Congestion Control in Linux TCP
  • TCP BBR算法与Reno/CUBIC的对比

本文分享自微信公众号 - aoho求索(aohoBlog)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-03-07

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏机器学习与统计学

《spss统计分析与行业应用案例详解》:实例4 列联表分析

列联表分析过是通过分析多个变量再不同取值情况下的数据分布,从而进一步分析多个变量之间相权关系的一种描述性分析方法,列联表分析个少指定两个变量,分别为行变量和列变...

15140
来自专栏机器学习与统计学

【统计学家的故事】回归分析的创始人:弗朗西斯·高尔顿

弗兰西斯·高尔顿(Francis Galton,1822年2月16日—1911年1月17日),查尔斯·达尔文的表亲(高尔顿为达尔文的表兄),是一名英格兰维多利亚...

62010
来自专栏机器学习与统计学

【数据分析 R语言实战】学习笔记 第五章 数据的描述性分析(下)

函数var()应用在多组数据上,得到的计算结果是一个协方差阵,其每个元素是各个向量之间的协方差。使用指令cor(group)也得到相同结果。

9620
来自专栏机器学习与统计学

【彩票】彩票预测算法:离散型马尔可夫链模型

  马尔可夫链是一个能够用数学方法就能解释自然变化的一般规律模型,它是由著名的俄国数学家马尔科夫在1910年左右提出的。马尔科夫过程已经是现在概率论中随机过程理...

47310
来自专栏热爱IT

时间计算 原

        // 今天         // $stage=$this->getlastMonthDays('2015-5-15');         ...

7010
来自专栏机器学习与统计学

R in action读书笔记(20)第十五章 处理缺失数据的高级方法

(1) 完全随机缺失:若某变量的缺失数据与其他任何观测或未观测变量都不相关,则数据为完全随机缺失(MCAR)

8520
来自专栏机器学习与统计学

《Python基础教程》 读书笔记 第五章(下)条件语句

while语句非常灵活。它可以用来在任何条件为真的情况下重复执行一个代码块。一般情况下这样就够用了,但是有些时候还得量体裁衣。比如要为一个集合(序列和其他可迭代...

7810
来自专栏机器学习与统计学

Duke@coursera 数据分析与统计推断 unit3 foundations for inference

A plausible range of values for thepopulation parameter is called a confidence i...

9310
来自专栏机器学习与统计学

Duke@coursera 数据分析与统计推断unit5 inference for categorical variables

一、sampling variability & CLT for proportions

10030
来自专栏机器学习与统计学

R in action读书笔记(21)第十六章 高级图形进阶(上) 17P 建议wifi下阅读

基础图形函数可自动调用,而grid和lattice函数的调用必须要加载相应的包(如library(lattice))。要调用ggplot2函数需下载并安装该包(...

10010

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券

年度创作总结 领取年终奖励