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计算机网络-TCP的拥塞控制

news 来源：原创 2025/9/6 19:04:00

内容来源：小林coding

本文是对小林coding的TPC拥塞控制的精简总结

为什么要有拥塞控制？

前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么
 

计算机网络都处在一个共享的环境，因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵


在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大....
 

所以，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议

当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量
 

拥塞控制的目的：避免「发送方」的数据填满整个网络

为了在「发送方」调节所要发送数据的量，定义了一个叫做「拥塞窗口」的概念

什么是拥塞窗口？和发送窗口有什么关系呢？

什么是拥塞窗口

拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个的状态变量

它会根据网络的拥塞程度动态变化的

我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系，那么由于加入了拥塞窗口的概念后

此时发送窗口的值是 swnd = min (cwnd, rwnd)

也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值

拥塞窗口 cwnd 变化的规则

1.只要网络中没有出现拥塞，cwnd 就会增大

2.但网络中出现了拥塞，cwnd 就减少

怎么判断当前网络出现了拥塞

其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文

也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞

 

拥塞控制有哪些控制算法 

拥塞控制主要是四个算法：

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

慢启动

慢启动是什么意思？

TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程

慢启动的意思：一点一点的提高发送数据包的数量

如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？

慢启动算法规则

慢启动的算法记住一个规则就行：

当发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1

图解例子

这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等，下面举个栗子：

  • 连接建立完成后，一开始初始化 cwnd = 1，表示可以传一个 MSS 大小的数据。
  • 当收到一个 ACK 确认应答后，cwnd 增加 1，于是一次能够发送 2 个。
  • 当收到 2 个的 ACK 确认应答后，cwnd 增加 2，于是就可以比之前多发 2 个，所以这一次能够发送 4 个。
  • 当这 4 个的 ACK 确认到来的时候，每个确认 cwnd 增加 1，4 个确认 cwnd 增加 4，于是就可以比之前多发 4 个，所以这一次能够发送 8 个。

慢启动算法的变化过程如下图：

 

可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长

慢启动门限（我们慢启动增长到啥时候停止？）

有一个叫慢启动门限 ssthresh（slow start threshold）状态变量。

  • 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法。
  • 当 cwnd >= ssthresh 时，就会使用「拥塞避免算法」

拥塞避免算法

怎么进入进入拥塞避免算法

前面说道，当拥塞窗口 cwnd「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞避免算法
一般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节

拥塞避免算法规则

那么进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd

图解例子

接上前面的慢启动的栗子，现假定 ssthresh 为 8：

  • 当 8 个 ACK 应答确认到来时，每个确认增加 1/8，8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1，于是这一次能够发送 9 个 MSS 大小的数据，变成了线性增长。

拥塞避免算法的变化过程如下图：

 

所以，我们可以发现，拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度缓慢了一些

就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需要对丢失的数据包进行重传。

当触发了重传机制，也就进入了「拥塞发生算法」

拥塞发生算法

数据包重传的两种机制

当网络出现拥塞，也就是会发生数据包重传，重传机制主要有两种：

  • 超时重传
  • 快速重传

 

【超时重传】的拥塞发生算法规则

当发生了「超时重传」，则就会使用拥塞发生算法
这个时候，ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化：

  • ssthresh 设为 cwnd/2，
  • cwnd 重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）

怎么查看系统的cwnd初始值

Linux 针对每一个 TCP 连接的 cwnd 初始化值是 10，也就是 10 个 MSS

我们可以用 ss -nli 命令查看每一个 TCP 连接的 cwnd 初始化值

如下图

 

图解

 

接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的

这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿。

就好像本来在秋名山高速漂移着，突然来个紧急刹车，轮胎受得了吗。。。

【快速重传】的拥塞发生算法

还有更好的方式，前面我们讲过「快速重传算法」

当接收方发现丢了一个中间包的时候，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传。

TCP 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

  • cwnd = cwnd/2，也就是设置为原来的一半；
  • ssthresh = cwnd；
  • 进入快速恢复算法

快速恢复

快速恢复算法规则

快速重传和快速恢复算法一般同时使用

快速恢复算法是认为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕

所以没有必要像 RTO 超时时那么强烈

正如前面所说，进入快速恢复之前，cwnd 和 ssthresh 已被更新了：

  • cwnd = cwnd/2，也就是设置为原来的一半；
  • ssthresh = cwnd；

快速恢复算法规则

然后，进入快速恢复算法如下：

  • 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）；
  • 重传丢失的数据包；
  • 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1；
  • 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞避免状态；

图解

也就是没有像「超时重传」一夜回到解放前，而是还在比较高的值，后续呈线性增长

 

 

简单总结一下拥塞控制

为什么要有拥塞控制

流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么

在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大....
 

当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量
 

拥塞控制的目的：避免「发送方」的数据填满整个网络

什么是拥塞窗口

拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的

发送窗口 swnd

接收窗口 rwnd

这两个窗口是约等于的关系

发送窗口的值是拥塞窗口和接收窗口中的最小值， swnd = min (cwnd, rwnd)

 

拥塞窗口 cwnd 变化的规则

1.只要网络中没有出现拥塞，cwnd 就会增大

2.但网络中出现了拥塞，cwnd 就减少

 

怎么判断当前网络出现了拥塞

「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文

也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞

 

拥塞控制有哪些算法

拥塞控制主要是四个算法：

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

慢启动

什么是慢启动

CP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程

慢启动的意思：一点一点的提高发送数据包的数量

如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？

慢启动规则

发送方每收到一个 ACK，拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1

慢启动门限

慢启动门限 ：ssthresh（slow start threshold）状态变量

  • 当 cwnd < ssthresh 时（拥塞窗口小于慢启动门限时），使用慢启动算法
  • 当 cwnd >= ssthresh 时（拥塞窗口大于等于慢启动门限时），就会使用「拥塞避免算法」

拥塞避免

如何进入拥塞避免

当拥塞窗口 cwnd「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞避免算法

 

拥塞避免规则

每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd

拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度缓慢了一些

 

重传机制的拥塞发生规则

数据包的两种重传机制

  • 超时重传
  • 快速重传

【超时重传】的拥塞发生算法规则

「超时重传」会使用拥塞发生算法

ssthresh（慢启动门限） 和 cwnd（拥塞窗口） 的值会发生变化：

  • 慢启动门限=拥塞窗口/2
  • 拥塞窗口重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）

如何查看TPC连接的CWND初始化值

ss -nli

【快速重传】的拥塞发生算法规则

之前的「快速重传算法」

当接收方发现丢了一个中间包的时候，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传，不必等待超时再重传

TCP 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

  • 拥塞窗口变为原来的一半；
  • 慢启动门限=拥塞窗口；
  • 进入快速恢复算法

快速恢复

为什么需要快速恢复

慢启动是会突然减少数据流的

这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿

什么是快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用

快速恢复算法是认为，你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕

所以没有必要像 RTO 超时时那么强烈

快速恢复算法规则

快速恢复的前提步骤：

ssthresh（慢启动门限） 和 cwnd（拥塞窗口） 的值会发生变化：

  • ssthresh 慢启动门限=拥塞窗口/2
  • cwmd 拥塞窗口重置为 1（是恢复为 cwnd 初始化值，我这里假定 cwnd 初始化值 1）

 

快速恢复算法

  • 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）；
  • 重传丢失的数据包；
  • 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1；
  • 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞避免状态；

图解总结

 

 

 

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编程日记 2025/8/31 13:04:34

前端开发工厂模式的优缺点是什么？

一、什么是工厂模式&#xff1f; 工厂模式属于创建型设计模式&#xff0c;核心思想是将对象的实例化过程封装到特定方法或类中&#xff0c;让客户端不需要直接通过new关键字创建对象。 举个例子&#xff1a;就像奶茶店不需要顾客自己调配饮品&#xff0c;而是通过"点单-…...

编程日记 2025/8/30 15:18:01

框架PasteForm实际开发案例，换个口味显示数据，支持echarts，只需要标记几个特性即可在管理端显示(2)

PasteForm框架的主要思想就是对Dto进行标记特性，然后管理端的页面就会以不一样的UI呈现 使用PasteForm框架开发，让你免去开发管理端的烦恼，你只需要专注于业务端和用户端！ 在管理端中，如果说表格是基本的显示方式，那么图表chart就是一个锦上添花的体现！ 如果一个项目拥…...

编程日记 2025/8/28 0:54:46

QEMU学习之路（5）— 从0到1构建Linux系统镜像

QEMU学习之路&#xff08;5&#xff09;— 从0到1构建Linux系统镜像 一、前言 参考&#xff1a;从内核到可启动镜像&#xff1a;0到1构建你的极简Linux系统 二、linux源码获取 安装编译依赖 sudo apt install -y build-essential libncurses-dev flex bison libssl-dev li…...

编程日记 2025/9/5 4:27:37

AI Agent设计模式一：Chain

概念 &#xff1a;线性任务流设计 ✅ 优点&#xff1a;逻辑清晰易调试&#xff0c;适合线性处理流程❌ 缺点&#xff1a;缺乏动态分支能力 from typing import TypedDictfrom langgraph.graph import StateGraph, END# 定义后续用到的一些变量 class CustomState(TypedDict):p…...

编程日记 2025/8/31 15:04:34

实操（进程状态，R/S/D/T/t/X/Z）Linux

1 R 状态并不直接代表进程在运行&#xff0c;而是该进程在运行队列中进行排队&#xff0c;由操作系统在内存维护的队列 #include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {while(1){printf("我在运行吗\n");sleep(1);}return 0; }查看状态&#xff08…...

编程日记 2025/9/4 0:24:54

T-SQL语言的自动化运维

T-SQL语言的自动化运维 引言 在现代IT环境中&#xff0c;自动化运维成为了提高效率、降低成本、提升稳定性的重要手段。数据库作为系统的重要组成部分&#xff0c;运维工作往往需要耗费大量的人力物力。T-SQL&#xff08;Transact-SQL&#xff09;作为Microsoft SQL Server的…...

编程日记 2025/8/30 0:04:28

Day06 分割编译与中断处理

文章目录 1. 例程harib03c&#xff08;c源文件分割并整理makefile文件&#xff09;2. 例程harib03c&#xff08;用于描述段的信息&#xff09;3. 例程harib03d&#xff08;初始化PIC&#xff09;4. 例程harib03e&#xff08;中断处理程序&#xff09; 1. 例程harib03c&#xff…...

编程日记 2025/9/4 18:04:13

数字化三维实训室：无穿戴动作捕捉技术如何赋能体育与舞蹈

在高校体育与舞蹈教学中&#xff0c;精准的动作训练至关重要。传统训练方式依赖教练的肉眼观察与手动记录&#xff0c;存在效率低下、误差较大的情况。尤其在快速连续动作或复杂肢体形态的捕捉中&#xff0c;人工判读易受主观经验限制&#xff0c;难以实现标准化评估。面对传统…...

编程日记 2025/9/5 13:42:30

6. RabbitMQ 死信队列的详细操作编写

6. RabbitMQ 死信队列的详细操作编写 文章目录 6. RabbitMQ 死信队列的详细操作编写1. 死信的概念2. 消息 TTL 过期(触发死信队列)3. 队列超过队列的最大长度(触发死信队列)4. 消息被拒(触发死信队列)5. 最后&#xff1a; 1. 死信的概念 先从概念上解释上搞清楚这个定义&#…...

编程日记 2025/9/3 17:58:47

AI浪潮下，新手短视频制作的破局之道

AI浪潮下&#xff0c;新手短视频制作的破局之道 引言&#xff1a;短视频新时代&#xff0c;AI 带来的机遇与挑战 在当下这个信息飞速流转的时代&#xff0c;短视频已然成为了人们生活中不可或缺的一部分。无论是在通勤路上、午休间隙&#xff0c;还是茶余饭后&#xff0c;打开…...

编程日记 2025/8/27 13:01:04

合肥SMT贴片制造工艺全解析

内容概要 作为电子制造领域的核心工艺&#xff0c;SMT&#xff08;表面贴装技术&#xff09;在合肥地区电子产业链中占据重要地位。本解析以合肥本地化生产场景为基础&#xff0c;系统梳理从焊膏印刷到成品检测的全流程工艺框架。具体而言&#xff0c;制造流程涵盖四大核心阶段…...

编程日记 2025/9/5 19:34:47

ctfshow VIP题目限免 协议头信息泄露

根据提示是协议头信息泄露&#xff0c;那就我们抓个包&#xff0c;抓包才能看到请求体响应体里的协议头啊&#xff0c;抓包之后在响应包里发现了 flag...

编程日记 2025/8/27 21:13:43