6. 擁塞控制

6.1 擁塞控制的原理

（1）理想狀態下：路由器R1和R2向R3提供負載不超過1000Mb/s，都能從R3發送到R4。當提供的負載超過1000Mb/s後，不能再提高了，多余的數據包將被丟棄。

（2）實際情況：網絡系統的吞吐量與輸入負載之間的關系不是線性的。隨著提供的負載增大，網絡的吞吐量增長速率逐漸減小。在網絡未達到飽和時就有一部分輸入分組被丟棄，當網絡的吞吐量明顯小於理想吞吐量就開始出現輕度擁塞現象。當負載達到某一數值時，網絡的網絡的吞吐量反而隨提供負載的增大而下降，這時網絡進入擁塞狀態。直至網絡吞吐量下降到零，就產生所謂的死鎖。

6.2 擁塞控制方法：慢開始和擁塞避免

（1）慢開始（Slow-start）

　　①A和B建立TCP連接，協商參數（最大報文MSS=100字節，接收窗口rwnd=3000），假設假設B發送的每個分組100字節。為了避免網絡擁堵時出現大量丟包，TCP會先感知一下網絡狀態，再調整發送速度。如果發送一個分組，不丟包，就可以進一步提高發送速度，這就是慢開始。等丟包以後就可以斷定出現堵塞（現代通信質量很高，出錯而造成重傳的概念很小（遠小於1%）），再放慢增速，這就是慢開始。

　　②剛開始發送方將擁塞窗口(cwnd)初始為100字節（由MSS有關），先發送一個分組M1，接收方收到後確認M1，然後發送收到對M1的確認。

　　③發送方每收到一個新報文段的確認（重傳的不算）就調整發送方的cwnd為原來的2倍

　　④發送方繼續將cwnd從200提高到400，並發送M4～M7共4個分組。因此慢開始算法就是每經過一輪次，擁塞窗口cwnd就加倍。

（2）擁塞避免（Congestion Avoidance）

　　①當TCP連接初始化時，把擁塞窗口cwnd=100字節（即MSS的值），慢開始門限ssthresh初始值為1600。當cwnd<ssthresh時，使用慢開始算法。即發送方每收到一個對新報文段的確認ACK，就把擁塞窗口值加倍（指數規律增長），來增大發送分組的速率。

　　②當cwnd增加到超過ssthresh時。就改為擁塞避免算法

　　③但擁塞窗口增加到2400時，網絡出現擁塞。就將sstresh值變1200（即發生擁塞時cwnd的1/2）。然後cwnd重新設置為100，並執行慢開始算法。

　　④慢開始算法的擁塞避免存在一個問題：網絡一旦出現丟包（不一定是擁塞引起的），就會馬上將ssthresh降低一半，同時cwnd減小為1個MSS，並重新執行慢開始算法。這代價很大，現在一般普遍使用的是快重傳和快恢復算法。

6.3 擁塞控制方法：快重傳和快恢復

（1）快重傳（Fast Restransmit）

　　①快重傳算法要求接收方每收到一個失序的分組後，發送方都能及早地發現。於是就要求接收方立即重復確認（如圖中M3丟棄後，會連續發送3個重復確認包M2），而不要等發送方對M3超時重傳時才發現丟包。

　　②由於接收方收到了M1、M2並進行了確認，但不能確認M4，因為M4是收到的失序失組。於是根據快重傳的規定，這時接收方會連續發出3個對M2的重復確認，以告訴發送方M3到達，要求重傳。發送方接收到三個連續的對M2的重復確認，就會立即重傳M3而不必等到M3的重傳計時器到期。（該算法會使整個網絡的吞吐量增加約20%，加大了網絡的負擔）。

（2）快恢復（Fast Recovery）

　　①當發送方連續收到三個重復確認時，就執行“乘法減小”算法。即把慢開始門限減半（為1200）。但請註意，接下來不執行慢開始算法，而是執行快恢復算法。

　　②發送方認為現在網絡很可能沒有發生擁塞，可能只是網絡一些小故障。（因為如果網絡發生了嚴重擁塞，就不會一連有好幾個報文段連續到達接收方，就不會連續發送重復確認）。因此，與慢開始不同，現在它不執行慢開始算法而是執行快恢復，即cwnd不設為MSS，而是讓cwnd=ssthresh=1200（即為2400的一半），然後加法線性增大。

6.4 發送窗口的上限

（1）發送方的發送窗口受擁塞控制(cwnd)和接收方的接收窗口(rwnd)大小的影響。從接收方對發送方的流量控制的角度考慮，發送方的發送窗口一定不能超過對方給出的接收窗口值。

（2）發送方窗口的上限值=min(rwnd, cwnd)。

第8章 傳輸層（6）_擁塞控制