拥塞控制基础

流量控制 vs 拥塞控制

维度流量控制拥塞控制
问题接收方处理不过来网络中间设备（路由器）处理不过来
范围端到端全局性（影响整个网络）
信号接收窗口 rwnd丢包 / 延迟 / ECN
目标保护接收方保护网络

生活例子：

  • 流量控制 = 餐厅后厨出菜速度匹配前厅服务员的端菜能力
  • 拥塞控制 = 整条美食街的餐厅 collectively 控制客流，防止街道堵塞

拥塞窗口 cwnd 与慢启动阈值 ssthresh

TCP 发送方维护两个关键变量：

  • cwnd（Congestion Window）：拥塞窗口，发送方根据网络状况自我限制的发送量
  • ssthresh（Slow Start Threshold）：慢启动阈值，cwnd 超过此值后转入拥塞避免

实际发送窗口：

发送窗口 = min(rwnd, cwnd)

经典拥塞控制四阶段（RFC 5681）

1. 慢启动（Slow Start）

连接建立或超时恢复后：

  • cwnd 初始值 = 1~2 MSS（RFC 5681 建议 2~4 MSS，现代 Linux 默认 10 MSS）
  • 每收到一个 ACK，cwnd += 1 MSS
  • 每 RTT 翻倍，呈指数增长
RTT 1: cwnd = 1 MSS, 发送 1 段
RTT 2: cwnd = 2 MSS, 发送 2 段
RTT 3: cwnd = 4 MSS, 发送 4 段
RTT 4: cwnd = 8 MSS, 发送 8 段
...
直到 cwnd ≥ ssthresh

为什么叫"慢"启动？ 相对"一次性发满窗口"而言，它从 1 开始慢慢探测网络容量。实际上指数增长很快。

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）

当 cwnd ≥ ssthresh 时：

  • 每收到一个 ACK，cwnd += 1/cwnd 个 MSS
  • 每 RTT 增加 1 MSS，呈线性增长
RTT N: cwnd = 16 MSS
RTT N+1: cwnd = 17 MSS
RTT N+2: cwnd = 18 MSS
...

这种保守增长探测网络容量边界，避免突然注入大量数据导致拥塞。

3. 快重传（Fast Retransmit）

收到 3 个重复 ACK 时：

  • 立即重传丢失段，不等待 RTO 超时
  • 这通常意味着网络仅发生轻度拥塞（个别段丢失）

4. 快恢复（Fast Recovery）

快重传后，不将 cwnd 降至 1（避免慢启动的剧烈震荡）：

ssthresh = cwnd / 2
cwnd = ssthresh + 3 MSS

然后每收到一个重复 ACK，cwnd += 1 MSS；收到新数据的 ACK 后，cwnd = ssthresh，进入拥塞避免。

为什么 +3 MSS？ 因为收到 3 个重复 ACK 说明网络中还有 3 个段在传输，可以多发 3 个段保持管道满载。

拥塞信号与响应总结

事件信号含义ssthreshcwnd后续阶段
超时严重拥塞cwnd/21 MSS慢启动
3 个重复 ACK轻度拥塞cwnd/2ssthresh+3快恢复 → 拥塞避免

AIMD 的公平性

从控制理论角度，TCP 拥塞控制是**AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）**算法：

  • 加性增加：线性增长探测带宽
  • 乘性减少：丢包时窗口减半

Chiu-Jain 公平性证明：多条连接共享瓶颈链路时，AIMD 会收敛到每条连接获得相等的带宽份额。

ECN：显式拥塞通知（RFC 3168）

传统 TCP 通过丢包推断拥塞，但丢包本身浪费带宽。ECN 让路由器在即将拥塞时主动标记而非丢弃：

  • IP 首部 DSCP 字段中的两位：ECT（ECN-Capable Transport）和 CE（Congestion Experienced）
  • TCP 首部保留两位：ECE（ECN-Echo）和 CWR（Congestion Window Reduced）
  • 路由器标记 CE=1 而非丢弃 → 接收方回显 ECE=1 → 发送方像收到 dup ACK 一样减半 cwnd

优势：无损拥塞通知，避免丢包重传开销，对实时应用友好。

本篇小结

  • 拥塞控制保护网络，流量控制保护接收方
  • 核心变量：cwnd（拥塞窗口）、ssthresh（慢启动阈值）
  • 四阶段：慢启动（指数）→ 拥塞避免（线性）→ 快重传 → 快恢复
  • 超时 = 严重拥塞：cwnd=1, ssthresh=cwnd/2
  • 3 个 dup ACK = 轻度拥塞：cwnd=ssthresh+3, ssthresh=cwnd/2
  • AIMD 算法在数学上可证明收敛到公平带宽分配
  • ECN：路由器主动标记拥塞，避免丢包

动手实践

  1. 查看 Linux 拥塞控制算法：

    sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control

  2. 切换算法并测试：

    sudo sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control=cubic
# 或 reno, bbr

  3. 查看 ECN 设置：

    sysctl net.ipv4.tcp_ecn

  4. 用 iperf3 测试不同算法：

    # 服务端
iperf3 -s
# 客户端
iperf3 -c <server_ip> -t 30

  5. 思考：为什么慢启动是指数增长而不是线性？如果 cwnd 每 RTT 只加 1，连接建立初期需要多久才能达到可用带宽？