TCP流量控制和拥塞控制

流量控制和拥塞控制是TCP实现可靠传输的方法之一

流量控制

为什么要流量控制

如果发送端的发送速度太快,会导致接收端的接收缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据,那么接下来发送的数据都会丢包。 所谓流量控制就是让发送方发送速率不要过快,让接收方来得及接收。

TCP如何实现流量控制

滑动窗口

利用滑动窗口机制可以实现流量控制。

原理就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制,发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。

考虑一种特殊的情况,就是接收方若没有缓存足够使用,就会发送零窗口大小的报文,此时发送放将发送窗口设置为0,停止发送数据。之后接收方有足够的缓存,发送了非零窗口大小的报文,但是这个报文在中途丢失的,那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。

解决这个问题,TCP为每一个连接设置一个持续计时器(persistence timer)。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知,就启动该计时器,周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小(注意:TCP规定,即使设置为零窗口,接收方也必须接收以下几种报文段:零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段)。

拥塞控制

什么是拥塞控制

TCP传输的过程中,发送端开始发送数据的时候,如果刚开始就发送大量的数据,那么就可能造成一些问题。网络可能在开始的时候就很拥堵,如果给网络中在扔出大量数据,那么这个拥堵就会加剧。拥堵的加剧就会产生大量的丢包,就对大量的超时重传,严重影响传输。

TCP如何实现拥塞控制

拥塞窗口

发送报文段速率的确定,既要根据接收端的接收能力,又要从全局考虑不要使网络发生拥塞,这由接收窗口和拥塞窗口两个状态量确定。

接收端窗口(Reciver Window)又称通知窗口(Advertised Window),是接收端根据目前的接收缓存大小所许诺的最新窗口值,是来自接收端的流量控制。

拥塞窗口cwnd(Congestion Window)发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口动态值,是来自发送端的流量控制。

因特网建议标准RFC2581定义了进行拥塞控制的四种算法,即慢启动(Slow-start),拥塞避免(Congestion Avoidance),快重传(Fast Restrangsmit)和快恢复(Fast Recovery)

慢启动算法和拥塞避免算法

慢开始算法的思路就是,不要一开始就发送大量的数据,先探测一下网络的拥塞程度,也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。

当然收到单个确认但此确认多个数据报的时候就加相应的数值。所以一次传输轮次之后拥塞窗口就加倍。这就是乘法增长,和后面的拥塞避免算法的加法增长比较。

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞,还需设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。ssthresh的用法如下:

当cwnd<ssthresh时,使用慢开始算法。

当cwnd>ssthresh时,改用拥塞避免算法。

当cwnd=ssthresh时,慢开始与拥塞避免算法任意。

快重传算法和快恢复算法

一条TCP连接有时会因等待重传计时器的超时而空闲较长的时间,慢开始和拥塞避免无法很好的解决这类问题,因此提出了快重传和快恢复的拥塞控制方法。

快重传算法并非取消了重传机制,只是在某些情况下更早的重传丢失的报文段(如果当发送端接收到三个重复的确认ACK时,则断定分组丢失,立即重传丢失的报文段,而不必等待重传计时器超时)。

快恢复算法有以下两个要点:

  1. 当发送方连续收到接收方发来的三个重复确认时,就执行“乘法减小”算法,把慢开始门限减半,这是为了预防网络发生拥塞。

  2. 由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞,因此现在不执行慢开始算法,而是把cwnd(拥塞窗口)值设置为慢开始门限减半后的值,然后开始执行拥塞避免算法,使拥塞窗口的线性增大

TCP拥塞控制和流量控制的差别

  • 拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中,这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提,就是网络能承受现有的网络负荷。

  • 流量控制往往指的是点对点通信量的控制,是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送数据的速率,以便使接收端来得及接受。