前言：

學(xué)習(xí)視頻：中科大鄭烇、楊堅(jiān)全套《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（自頂向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》課程
該視頻是B站非常著名的計(jì)網(wǎng)學(xué)習(xí)視頻，但相信很多朋友和我一樣在聽(tīng)完前面的部分發(fā)現(xiàn)信息量過(guò)大，有太多無(wú)法理解的地方，在我第一次點(diǎn)開(kāi)的時(shí)候也有相同的感受，但經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，對(duì)計(jì)網(wǎng)有了更多的了解，所以我準(zhǔn)備在這次學(xué)習(xí)的時(shí)候做一些記錄并且加入一些我的理解，希望能夠幫助到大家。
往期筆記可以看專欄中的內(nèi)容😊😊😊

文章目錄

• • • 3.6 擁塞控制原理
    • • 3.6.1 什么是擁塞？
      • 3.6.2 擁塞的原因 / 代價(jià)
      • • <1> 場(chǎng)景 1：理想情況 - 無(wú)限緩沖區(qū)
        • <2> 場(chǎng)景二 - 有限緩沖區(qū)
        • <3> 場(chǎng)景三 - 網(wǎng)絡(luò)死鎖的情況
      • 3.6.3 兩種擁塞控制的方法
      • 3.6.4 案例 - ATM ABR 擁塞控制
    • 3.7 TCP 擁塞控制
    • • 3.7.1 擁塞控制要解決的幾個(gè)問(wèn)題
      • 3.7.2 擁塞感知
      • 3.7.3 速率控制方法
      • 3.7.4 TCP 擁塞控制
      • 3.7.5 總結(jié)：TCP 擁塞控制
      • 3.7.6 TCP 的公平性

3.6 擁塞控制原理

3.6.1 什么是擁塞？

💡 當(dāng) 網(wǎng)絡(luò)中的流量 超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)資源的處理能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失、延遲增加和帶寬利用率下降。

• 擁塞是指網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了過(guò)多的數(shù)據(jù)流量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如路由器、交換機(jī)）無(wú)法及時(shí)處理所有傳入的數(shù)據(jù)包，進(jìn)而 導(dǎo)致緩沖隊(duì)列溢出，丟包等問(wèn)題。

3.6.2 擁塞的原因 / 代價(jià)

<1> 場(chǎng)景 1：理想情況 - 無(wú)限緩沖區(qū)

👉 這里探討的是理論化的情況

💡 假設(shè)有兩個(gè)發(fā)送端和兩個(gè)接收端，有一個(gè)路由器，其輸出緩沖區(qū)無(wú)限大，也就是不會(huì)存在丟失的情況，輸出鏈路的帶寬為 R，且不考慮輸入時(shí)處理的情況。

💡 且在 TCP 的情況下會(huì) 盡可能的讓 每個(gè)連接分到的帶寬相同，所以這里假設(shè)這兩個(gè)連接 平分 帶寬；也就是每個(gè)連接能夠達(dá)到的最大帶寬為 R / 2。

💡 且發(fā)送方 不會(huì)重傳。

有了這些先決條件，來(lái)看看連接的吞吐量和延遲：

💡 吞吐量（Throughput）是指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量或信息量。

當(dāng)進(jìn)入的速率總和達(dá)到 R 的時(shí)候，排隊(duì)延遲會(huì)趨向無(wú)窮大，因?yàn)閹捠抢碚撋峡蛇_(dá)到的最大速率，但實(shí)際是不可能實(shí)現(xiàn)的，所以隊(duì)列會(huì)一直累計(jì)，但因?yàn)殛?duì)列是無(wú)線大的，分組并不會(huì) 丟失 且發(fā)送方不會(huì)重傳，所以有效的泵出和輸入是相等的。

<2> 場(chǎng)景二 - 有限緩沖區(qū)

👉 這里討論的是偏向于現(xiàn)實(shí)的情況

💡 緩沖區(qū)不是無(wú)限的，分組會(huì)丟失

💡 發(fā)送方會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)而重發(fā)分組

當(dāng)泵入的數(shù)據(jù)量不斷的增大，由于延遲的增大會(huì)觸發(fā)重傳機(jī)制，這就導(dǎo)致有效的泵入逐漸減少，會(huì)包含很多重發(fā)的泵入，這也就導(dǎo)致了有效泵出的減少。

最終呈現(xiàn)出來(lái)的圖像是這樣的：

這也就導(dǎo)致了發(fā)送方需要大量的重發(fā)才能保證有效的泵入。比如說(shuō)為了達(dá)到 1.0 的泵出量，有可能需要 1.2 的泵入量，如果不加以控制的話會(huì)導(dǎo)致重發(fā)越來(lái)越多，擁塞的程度也越來(lái)越大，是一個(gè) 正反饋的情況。

<3> 場(chǎng)景三 - 網(wǎng)絡(luò)死鎖的情況

💡 四個(gè)發(fā)送端 且 存在超時(shí)重傳機(jī)制

💡 多重路徑

當(dāng)紅色的泵入增加的時(shí)候，藍(lán)色的泵入在最上方的路由中被拋棄了，因?yàn)樗皆撀酚啥嘁惶?#xff0c;到達(dá)的更慢；同理，其他的各個(gè)路由器都會(huì)由于這種情況而形成阻塞。最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的整體泵出量為 0，達(dá)到一個(gè)死鎖的情況。

3.6.3 兩種擁塞控制的方法

🍀 端到端的擁塞控制：沒(méi)有來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的直接顯示其擁塞狀況的信息，系統(tǒng)根據(jù)延遲和丟失的時(shí)間來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，比如 TCP 的快速重發(fā)，當(dāng) TCP 收到三個(gè)冗余 ACK 的時(shí)候就說(shuō)明分組可能丟失了，這時(shí)候就可以降低發(fā)送速率，這也是 TCP 采用的擁塞控制方法。

🍀 網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制：即發(fā)送端可以接收到網(wǎng)絡(luò)關(guān)于其擁塞程度的反饋，這樣做擁塞控制就會(huì)簡(jiǎn)單很多，比如下面提到的 ATM 網(wǎng)絡(luò)。

3.6.4 案例 - ATM ABR 擁塞控制

💡 ATM（Asynchronous Transfer Mode）異步傳輸模式，不是取款機(jī)（大悲）

💡 ABR（Available Bit Rate），可用比特率，是一種ATM（異步傳輸模式）網(wǎng)絡(luò)中的一種擁塞控制服務(wù)類型。這種服務(wù)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，以確保網(wǎng)絡(luò)中的可用帶寬得到最佳利用，同時(shí)避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)丟失。

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為 信元，信元中有一種特殊的信源為 RM（資源管理）信元，其由發(fā)送端發(fā)送，在數(shù)據(jù)信元中間隔插入。

當(dāng)經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)會(huì)根據(jù)自己目前的狀況來(lái)調(diào)整資源管理信元的信息

• NI bit：no increase in rate 輕微擁塞的時(shí)候請(qǐng)求速率不要再增加
• CI bit：congestion indication 擁塞指示，表示該路由器出現(xiàn)擁塞，應(yīng)該減小到最小速率。

接收端接收到數(shù)據(jù)信元后將 RM 信元直接返回 不做任何改變；接收端收到后就可以知道這條通路中的擁塞情況。

3.7 TCP 擁塞控制

3.7.1 擁塞控制要解決的幾個(gè)問(wèn)題

🍀 端到端的擁塞控制機(jī)制：路由器不會(huì)向端主機(jī)提供擁塞的相關(guān)信息

• 這樣的好處是會(huì)降低路由器的負(fù)擔(dān)，符合是網(wǎng)絡(luò)核心簡(jiǎn)單的 TCP/IP 架構(gòu)原則
• 端系統(tǒng)根據(jù)自己得到的信息來(lái)判斷是否發(fā)生擁塞從而采取動(dòng)作

? 擁塞控制需要解決的問(wèn)題

• 如何檢測(cè)是否出現(xiàn)擁塞和擁塞的程度如何？
• 在擁塞的時(shí)候發(fā)送應(yīng)該采取什么策略來(lái)降低？
• 在擁塞緩解的時(shí)候如何增加速率來(lái)保證信息交換的速度？

3.7.2 擁塞感知

💡 既然路由器不提供擁塞情況，那發(fā)送端如何得知是否產(chǎn)生擁塞呢？

🍀 當(dāng)某個(gè)段超時(shí)的時(shí)候，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)在傳輸過(guò)程中丟失了

• 原因一：由于路由器隊(duì)列已滿，出現(xiàn)丟棄的情況
• 原因二：傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了亂序的情況，導(dǎo)致信息沒(méi)有通過(guò)校驗(yàn)而被丟失
• 由于第二種情況相較于第一種情況出現(xiàn)頻率低很多，所以對(duì)擁塞控制產(chǎn)生的影響不大

🍀 當(dāng)出現(xiàn)三個(gè)冗余的 ACK 的時(shí)候，也可以說(shuō)明分組被丟失

3.7.3 速率控制方法

💡 擁塞窗口（Congestion Window，簡(jiǎn)稱CongWin）是TCP擁塞控制算法中的一個(gè)重要概念，用于控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和提高網(wǎng)絡(luò)性能。

👉 擁塞窗口的大小是由 TCP 擁塞控制算法 動(dòng)態(tài) 調(diào)整的。

👉 超時(shí)的時(shí)候擁塞窗口變?yōu)?1MSS，進(jìn)入 SS 階段，然后倍增到擁塞窗口的一半后進(jìn)入 CA 階段

• 當(dāng)收到三個(gè)冗余的 ACK，擁塞窗口變?yōu)橐话朐俅芜M(jìn)入 CA 階段

👉 當(dāng)正常收到 ACK 沒(méi)有發(fā)生以上兩種情況的時(shí)候

• SS 階段（Slow Start，慢啟動(dòng)階段）：每個(gè)往返延遲（RTT）成倍增加發(fā)送報(bào)文量
• CA 階段（Congestion Avoidance，擁塞避免階段）：每個(gè) RTT 只會(huì)增加一個(gè)單位

💡 在這里有一個(gè)基本的概念即可，后面會(huì)詳細(xì)講述 TCP 擁塞控制的整個(gè)流程。

💡 TCP 流量控制和擁塞控制是一個(gè) 聯(lián)合的動(dòng)作，即發(fā)送時(shí)要同時(shí)滿足這兩個(gè)的要求

3.7.4 TCP 擁塞控制

🍀 慢啟動(dòng)（Slow Start）階段：

• 當(dāng)連接建立或者網(wǎng)絡(luò)從擁塞中恢復(fù)時(shí)，擁塞窗口被初始化為一個(gè)較小的值，通常為一個(gè) MSS。
• 在慢啟動(dòng)階段，發(fā)送方逐漸增加擁塞窗口的大小。每當(dāng)收到一個(gè)確認(rèn) ACK 時(shí)，擁塞窗口大小就會(huì)加倍，這樣擁塞窗口呈指數(shù)增長(zhǎng)。

💡 這樣做的目的是快速 探測(cè) 網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬，以便盡快利用網(wǎng)絡(luò)資源。

🍀 擁塞避免階段：

• 當(dāng)擁塞窗口大小大于閾值的時(shí)候，就會(huì)進(jìn)入擁塞避免的階段，此時(shí)每一個(gè) RTT 擁塞窗口加 1，而不是像慢啟動(dòng)一樣成倍的增加的增加
• 擁塞避免階段就是在臨界值上進(jìn)行試探直到出現(xiàn)了冗余 ACK 或者丟失的情況

🍀 快速重傳和超時(shí)重傳：

• 當(dāng)出現(xiàn)快速重傳的時(shí)可以推斷出網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了輕微的擁塞，此時(shí)將擁塞窗口減半，繼續(xù)進(jìn)行 CA 階段
• 如果出現(xiàn)超時(shí)則說(shuō)明擁塞情況較差，此時(shí)將閾值設(shè)定為發(fā)生擁塞時(shí)窗口值的一半，同時(shí)擁塞窗口被設(shè)定為 1 MSS，進(jìn)行 SS 階段。
• 如上圖中的紅色部分就代表了發(fā)生超時(shí)進(jìn)行慢啟動(dòng)，其余部分均為冗余 ACK 導(dǎo)致的擁塞窗口減半。

💡 在這個(gè)流程中影響的因素主要是閾值和超時(shí)以及冗余 ACK，搞清楚對(duì)于這三種情況如何處理即可梳理好整個(gè)流程：

• 閾值是慢啟動(dòng)和擁塞避免的分水嶺
• 超時(shí)會(huì)導(dǎo)致從慢啟動(dòng)開(kāi)始且會(huì)導(dǎo)致閾值的調(diào)整
• 冗余 ACK 會(huì)導(dǎo)致?lián)砣翱诘臏p少

💡 由于慢啟動(dòng)在整個(gè)流程中所占的時(shí)間較短，所以整體是呈現(xiàn)鋸齒狀的，即由于冗余 ACK 的作用導(dǎo)致的擁塞窗口減半。

3.7.5 總結(jié)：TCP 擁塞控制

💡 名詞解釋：

• CongWin：Congestion Window，擁塞窗口
• Threshold：閾值

🍀 當(dāng) CongWin < CongWin ，發(fā)送端處于 慢啟動(dòng) 階段，窗口指數(shù)增長(zhǎng)

🍀 當(dāng) CongWin > CongWin，發(fā)送端處于 擁塞避免 階段，窗口線性增長(zhǎng)

🍀 當(dāng)收到三個(gè)重復(fù) ACK的時(shí)候，Threshold 設(shè)置成 CongWin / 2，CongWin = Threshold + 3

🍀 當(dāng)超時(shí)時(shí)間發(fā)生的時(shí)候，Threshold = CongWin / 2，CongWin = 1 MSS，進(jìn)入 SS 階段

💡 補(bǔ)充：TCP 的吞吐量：TCP 的平均吞吐量可以用窗口尺寸和 RTT 來(lái)近似的描述

• 假設(shè)發(fā)生丟失的時(shí)候窗口尺寸是固定的

• 

• $$平均窗口尺寸=1/2W+W=3/4W$$

• 吞吐量等于上述值除以 RTT

3.7.6 TCP 的公平性

💡 公平性目標(biāo)：如果 K 個(gè) TCP 繪畫共享一個(gè)鏈路帶寬為 R 的瓶頸，每個(gè)會(huì)話分到的有效帶寬均為 R / K。

TCP 通過(guò)其擁塞控制可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)的公平性

上圖中紫色的線代表帶寬，即鏈接一所占的帶寬加上鏈接二所占的帶寬等于總帶寬，也即出現(xiàn)擁塞的時(shí)候。

• 左下角的紅色線很明顯可以看出來(lái)當(dāng)?shù)竭_(dá)擁塞的時(shí)候 鏈接一 所占有的資源多
• 因?yàn)閾砣翱跒閷?duì)半減少，這樣就代表 占有資源多的一方減半時(shí)候損失的也就越多
• 這樣會(huì)逐漸靠近虛線，也就是連接一所占的帶寬等于連接二所占的帶寬的情況，這樣就達(dá)到了公平性