# 5.6 TCP拥塞控制

## 一、TCP拥塞控制概述

### 1.1 什么是拥塞

**拥塞（Congestion）**：
- 网络中分组过多
- 路由器缓冲区溢出
- 网络性能下降
- 延迟增加、丢包

### 1.2 拥塞产生的原因

- **发送方发送速率过快**
- **网络容量不足**
- **流量分布不均**
- **突发流量**

### 1.3 拥塞的后果

- **延迟增加**
- **丢包增加**
- **吞吐量下降**
- **重传增加**
- **恶性循环**

### 1.4 什么是拥塞控制

**拥塞控制（Congestion Control）**：
- 防止网络过载
- 控制发送方的发送速率
- 全局性的控制

### 1.5 拥塞控制 vs 流量控制

| 特性 | 拥塞控制 | 流量控制 |
|-----|---------|---------|
| 控制对象 | 发送方和网络 | 发送方和接收方 |
| 目的 | 防止网络过载 | 防止接收方溢出 |
| 范围 | 全局 | 端到端 |
| 信息来源 | 网络状态（丢包、延迟） | 接收方通告（rwnd） |
| 机制 | 拥塞窗口（cwnd） | 接收窗口（rwnd） |

---

## 二、拥塞窗口

### 2.1 什么是拥塞窗口

**拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）**：
- 发送方根据网络拥塞程度调整的窗口
- 限制发送方的发送速率
- 发送窗口 = min(rwnd, cwnd)

### 2.2 拥塞窗口的调整

**增加**：
- 网络不拥塞时，增加cwnd
- 提高发送速率

**减小**：
- 网络拥塞时，减小cwnd
- 降低发送速率

### 2.3 拥塞窗口的单位

- **MSS（Maximum Segment Size）**：最大报文段长度
- cwnd通常以MSS为单位

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## 三、拥塞控制算法

### 3.1 慢开始（Slow Start）

**机制**：
- 初始cwnd = 1 MSS
- 每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS
- 每经过一个RTT，cwnd翻倍
- 指数增长

**阈值（ssthresh）**：
- 慢开始阈值
- cwnd < ssthresh：慢开始
- cwnd ≥ ssthresh：拥塞避免

**过程**：
```
RTT 0: cwnd = 1 MSS
RTT 1: cwnd = 2 MSS
RTT 2: cwnd = 4 MSS
RTT 3: cwnd = 8 MSS
...
```

### 3.2 拥塞避免（Congestion Avoidance）

**机制**：
- cwnd ≥ ssthresh时
- 每收到一个ACK，cwnd增加1/cwnd MSS
- 每经过一个RTT，cwnd增加1 MSS
- 线性增长

**过程**：
```
RTT n: cwnd = 16 MSS
RTT n+1: cwnd = 17 MSS
RTT n+2: cwnd = 18 MSS
...
```

### 3.3 快重传（Fast Retransmit）

**机制**：
- 收到3个重复ACK，立即重传
- 不等待超时

**过程**：
1. 发送方发送报文段1、2、3、4、5
2. 报文段2丢失
3. 接收方收到1、3、4、5
4. 接收方对1发送重复ACK（ACK=2）
5. 收到3个重复ACK后，发送方重传2

### 3.4 快恢复（Fast Recovery）

**机制**：
- 收到3个重复ACK后
- ssthresh = cwnd / 2
- cwnd = ssthresh + 3 MSS
- 进入拥塞避免（不是慢开始）

**与超时后的区别**：
- 超时：ssthresh = cwnd / 2，cwnd = 1，慢开始
- 3个重复ACK：ssthresh = cwnd / 2，cwnd = ssthresh + 3，拥塞避免

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## 四、拥塞控制过程

### 4.1 拥塞控制状态图

```
         超时或3个重复ACK
    ┌─────────────────────────┐
    │                         │
    ▼                         │
┌─────────┐    cwnd >= ssthresh    ┌─────────────┐
│ 慢开始  │ ──────────────────────> │  拥塞避免   │
│(cwnd=1) │ <────────────────────── │(线性增长)   │
└─────────┘    超时或3个重复ACK    └─────────────┘
    │                                      │
    │                                      │
    │         3个重复ACK                   │
    │    ┌─────────────────────────────────┘
    │    │
    │    ▼
    │ ┌─────────────┐
    └─│   快恢复    │
      │(cwnd=ssthresh+3)│
      └─────────────┘
```

### 4.2 拥塞控制示例

```
cwnd (MSS)
  │
32│                        ╱╲
  │                       ╱  ╲
16│      ╱╲              ╱    ╲
  │     ╱  ╲            ╱      ╲____
  │    ╱    ╲          ╱            ╲___
  │   ╱      ╲________╱                  ╲___
  │  ╱
  │ ╱
 1│╱
  └─────────────────────────────────────────> 时间
   慢开始  拥塞避免  超时  慢开始  拥塞避免
```

**过程**：
1. 初始：cwnd=1，ssthresh=16，慢开始
2. cwnd指数增长到16，进入拥塞避免
3. cwnd线性增长到32，超时
4. ssthresh=16，cwnd=1，慢开始
5. cwnd指数增长到16，进入拥塞避免

### 4.3 拥塞控制详细过程

**初始状态**：
- cwnd = 1 MSS
- ssthresh = 65535（或配置值）

**慢开始阶段**：
- 每收到一个ACK，cwnd += 1 MSS
- cwnd指数增长
- 直到cwnd >= ssthresh

**拥塞避免阶段**：
- 每收到一个ACK，cwnd += 1/cwnd MSS
- cwnd线性增长
- 直到超时或收到3个重复ACK

**超时处理**：
- ssthresh = cwnd / 2
- cwnd = 1 MSS
- 进入慢开始

**3个重复ACK处理**：
- ssthresh = cwnd / 2
- cwnd = ssthresh + 3 MSS
- 进入快恢复（拥塞避免）

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## 五、TCP拥塞控制版本

### 5.1 TCP Tahoe

**特点**：
- 慢开始 + 拥塞避免
- 超时后cwnd=1，慢开始
- 无快重传和快恢复

### 5.2 TCP Reno

**特点**：
- 增加快重传和快恢复
- 3个重复ACK后快恢复
- 目前最广泛使用的版本

### 5.3 TCP NewReno

**特点**：
- 改进快恢复
- 部分ACK也触发快恢复
- 处理多个报文段丢失

### 5.4 TCP Vegas

**特点**：
- 基于延迟的拥塞控制
- 预测拥塞，提前调整
- 根据RTT变化调整cwnd

### 5.5 TCP CUBIC

**特点**：
- Linux默认
- 使用三次函数调整cwnd
- 适合高带宽延迟积网络
- 窗口增长：W(t) = C(t-K)³ + Wmax

### 5.6 TCP BBR

**特点**：
- Google开发
- 基于带宽和RTT的拥塞控制
- 不依赖丢包
- 高吞吐、低延迟

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## 六、拥塞控制的性能

### 6.1 吞吐量

**理想吞吐量**：
```
吞吐量 = cwnd / RTT
```

**实际吞吐量**：
- 受拥塞控制限制
- 通常小于理想值

### 6.2 公平性

**TCP公平性**：
- 多个TCP连接共享带宽
- 最终每个连接获得相等的带宽

**证明**：
- 拥塞控制使窗口动态调整
- 最终达到平衡

### 6.3 效率

**链路利用率**：
- 拥塞控制使链路保持高利用率
- 避免过载

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## 七、考研重点

1. **拥塞控制的概念**：
   - 什么是拥塞
   - 拥塞产生的原因和后果
   - 什么是拥塞控制
   - 拥塞控制 vs 流量控制

2. **拥塞窗口（cwnd）**：
   - 概念
   - 调整
   - 与发送窗口的关系

3. **拥塞控制算法**：
   - 慢开始：机制、指数增长
   - 拥塞避免：机制、线性增长
   - 快重传：机制
   - 快恢复：机制

4. **拥塞控制过程**：
   - 状态图
   - 详细过程
   - 超时处理
   - 3个重复ACK处理

5. **TCP拥塞控制版本**：
   - TCP Tahoe
   - TCP Reno
   - TCP NewReno
   - TCP Vegas
   - TCP CUBIC
   - TCP BBR

6. **拥塞控制的性能**：
   - 吞吐量
   - 公平性
   - 效率

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*第五章完，进入第六章：应用层*