一、前语

本系列文章旨在复习核算机网络中心常识，进一步夯实根底，为以后 参与物联网、音视频、直播、即时通讯等领域的项目做必定的常识储备。

文章列表:

  • 01-核算机网络中心常识|核算机网络通识【核算机网络功能指标、网络协议分层的几种办法、OSI七层模型概念通识】
  • 02-核算机网络中心常识|【建立调试环境、新建Java项目、核算机通信根底、核算机衔接办法、集线器/网桥/交换机/路由器】
  • 03-核算机网络中心常识|【MAC地址、IP地址的组成、IP地址的分类、CIDR、子网掩码、超网】
  • 04-核算机网络中心常识|【 静态路由、动态路由、数据包的传输、ISP、服务器机房、网络分类、家用无线路由器、公网IP、
  • 05-核算机网络中心常识|物理层/数据链路层【模拟信号&&数字信号、数据链路层】
  • 06-核算机网络中心常识|网络层【IP数据包Packet、网络协议、Checksum、源IP地址和方针IP地址、ping】
  • 07-核算机网络协议中心常识|【传输层-UDP】
  • 08-核算机网络协议中心常识|【传输层-TCP之牢靠传输】
  • 09-核算机网络中心常识|传输层TCP2【流量操控原理、拥塞操控:slow start、congestion avoidance、快速重传、快速康复】
  • 10-核算机网络协议中心常识|【传输层-TCP衔接】
  • 11-核算机网络协议中心常识|【 应用层】
  • 12-核算机网络中心常识|【Cookie、Session(概念、生命周期、有效期、浏览器的要求等)、跨域(概念、 同源战略、跨域处理方
  • 13-核算机网络协议中心常识|【 代理/CDN/网络安全】
  • 14-核算机网络协议中心常识|【(非)对称加密/数字签名/证书】
  • 15-核算机网络协议中心常识|【HTTPS】
  • 16-核算机网络中心常识|HTTPS协议【HTTP2、HTTP3】

本文主要关注：
假如接纳方的缓存区满了，发送方还在张狂发送数据，接纳方只能把收到的数据包丢掉，很多的丢包会极大浪费网络资源，所以要进行流量操控。

二、流量操控

流量操控:

  • 让发送方的发送速率不要太快，让接纳方来得及接纳处理。
  • 原理：
    • 通过承认报文中窗口字段来操控发送方的发送速率；
    • 发送方的发送窗口巨细不能超过接纳方给出的窗口巨细；
    • 当发送方收到接纳窗口的巨细为0时，发送方就会中止发送数据。

09-计算机网络核心知识|传输层TCP2【流量控制原理、拥塞控制:slow start、congestion avoidance、快速重传、快速恢复】

有一种特殊状况，一开端，接纳方给发送方发送了0窗口的报文段。后面，接纳方又有了一些存储空间，给发送方发送的非0窗口的报文段丢掉了。此刻发送方的发送窗口一向为0，两边陷入僵局。

处理方案便是：当发送方收到0窗口告诉时，这时发送方中止发送报文。而且同时开启一个定时器，隔一段时刻就发个测验报文去问询接纳方最新的窗口巨细，假如接纳的窗口巨细仍是0，则发送方再次改写发动定时器。

缩写：

  • MSS（Max Segment Size）：每个段最大的数据部分巨细，是在建立衔接时承认的，依据数据链路层倒推核算可得出MSS值是1460字节，但每次值巨细是不承认的，需要两边通信时一同承认（取最小值）。核算办法：传输层数据1500字节 = 网络层(首部20字节 + 数据1480字节 = 传输层（首部20字节 + 数据1460字节（MSS））)
  • cwnd（congestion window）：拥塞窗口（发送方）
  • rwnd（receive window）：接纳窗口（接纳方）
  • swnd（send window）：发送窗口，最大值取拥塞窗口和接纳窗口的最小值（swnd = min(cwnd, rwnd)），当rwnd < cwnd时，是接纳方的接纳才能约束发送窗口的最大值，当rwnd > cwnd时，是网络的拥塞约束发送窗口的最大值。

三、拥塞操控

拥塞操控:

  • 防止过多的数据注入到网络中，防止网络中的路由器或链路过载。
  • 拥塞操控是一个全局性的进程，涉及到一切的主机、路由器以及与降低网络传输功能有关的一切因素，是大家共同努力的结果。相比而言，流量操控是点对点通信的操控。

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  • 负载指的是通过路由器的带宽量总和。
  • 吞吐量便是带宽理论峰值。
  • 上图中链路吞吐量的理想状况是当负责超过带宽时，吞吐量到达峰值。但实践状况是，当负载越来越大（网络开端拥塞），吞吐量不会到达带宽值，而且之后就会下滑（网络拥塞开端严峻），负载到达必定程度后网络就会卡死（死锁）。

可以类比一下交通。理论上一条8车道的路途可以同时开1000辆车，但实践700辆车就会产生拥堵。在早顶峰或者晚顶峰时，路途上的车辆开端呈现缓慢移动，跟着车辆越来越多，就会导致交通瘫痪。

1. 操控办法

1.1. 慢开端/慢发动（slow start）

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接纳方告诉发送方MSS=100, rwnd=3000，发送方依据MSS设置发送窗口(拥塞窗口)为cwnd=100，每一轮成功接纳后，cwnd都呈指数级添加（2^n，最大不超过rwnd），这便是慢开端。

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当主机开端发送数据时，假如当即所很多数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷状况。因而，较好的办法是先勘探一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也便是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。通常在刚刚开端发送报文段时，先把拥塞窗口CWND设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的承认后，把拥塞窗口添加至多一个MSS的数值。用这样的办法逐渐增大发送方的拥塞窗口CWND，可以使分组注入到网络的速率愈加合理。

为了防止拥塞窗口CWND添加过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开端门限ssthresh状态变量：

  • 当CWND < ssthresh时，运用上述的慢开端算法。
  • 当CWND > ssthresh时，中止运用慢开端算法而改用拥塞防止算法。
  • 当CWND = ssthresh时，既可运用慢开端算法，也可运用拥塞操控防止算法。

1.2. 拥塞防止（congestion avoidance）

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ssthresh（slow start threshold）：慢开端阈值，cwnd到达阈值后，以线性办法添加。当网络呈现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快。

拥塞防止（加法增大）：拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早呈现拥塞。

乘法减小：只要网络呈现拥塞，把ssthresh折半，与此同时，履行慢开端算法（cwnd又康复到初始值）。

让拥塞窗口CWND缓慢地增大，即每通过一个往复时刻RTT就把发送方的拥塞窗口CWND加1，而不是加倍。这样拥塞窗口CWND按线性规则缓慢添加，比慢开端算法的拥塞窗口添加速率缓慢得多。

  • 当TCP衔接进行初始化时，把拥塞窗口CWND置为1。前面已说过，为了便于理解，图中的窗口单位不运用字节而运用报文段（SMSS）的个数。慢开端门限的初始值设置为16个报文段，即CWND = 16。
  • 在履行慢开端算法时，拥塞窗口CWND的初始值为1。以后发送方每收到一个对新报文段的承认ACK，就把拥塞窗口值另1，然后开端下一轮的传输（图中横坐标为传输次序）。因而拥塞窗口CWND跟着传输次序按指数规则添加。当拥塞窗口CWND添加到慢开端门限值ssthresh时（即当CWND=16时），就改为履行拥塞操控算法，拥塞窗口按线性规则添加。
  • 假定拥塞窗口的数值添加到24时，网络呈现超时（这很可能便是网络产生拥塞了）。更新后的ssthresh值变为12（即变为呈现超不时的拥塞窗口数值24的一半），拥塞窗口再重新设置为1，并履行慢开端算法。当CWND=ssthresh=12时改为履行拥塞防止算法，拥塞窗口按线性规则添加，每通过一个往复时刻添加一个MSS的巨细。

强调： “拥塞防止”并非指完全可以防止了拥塞。利用以上的办法要完全防止网络拥塞仍是不可能的。“拥塞防止”是说在拥塞防止阶段将拥塞窗口操控为按线性规则添加，使网络比较不容易呈现拥塞。

怎么知道网络拥塞？通过丢包监测即可知道是否产生网络拥塞。

1.3. 快速重传（fast retransmit）

09-计算机网络核心知识|传输层TCP2【流量控制原理、拥塞控制:slow start、congestion avoidance、快速重传、快速恢复】

接纳方： 每收到一个失序的分组后就当即发出重复承认，使发送发及时知道有分组没有到达，而不要等待自己发送数据时才进行承认。

发送方： 只要接连收到三个重复承认（一共4个相同的承认），就应当当即重传对方没有收到的报文段，而不必持续等待重传计时器到期后再重传。

M3算法送的承认报段丢掉后，发送端持续传递M4、M5和M6数据报，接纳方承认数据报发送回去。快重传算法还规则，发送方只要一连收到三个重复承认就应当当即重传对方没有收到的报文段M3，而不必持续等待M3设置的重传计时器到期。因为发送方尽早重传未被承认的报文段，因而选用快重传后可以使整个网络吞吐量进步约20%。

1.4. 快速康复（fast recovery）

其进程有以下两个点：

  • 当发送方接连收到三个重复承认，就履行“乘法减小”算法，把慢开端门限ssthresh折半。这是为了防备网络产生拥塞。请注意：接下去不履行慢开端算法。
  • 因为发送方现在以为网络很可能没有产生拥塞，因而与慢开端不同之处是现在不履行慢开端算法（即拥塞窗口CWND现在不设置为 1），而是把CWND值设置为慢开端门限ssthresh折半后的数值，然后开端履行拥塞防止算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。

下图给出了快重传和快康复的示意图，并标明了“TCP Reno版别”。

09-计算机网络核心知识|传输层TCP2【流量控制原理、拥塞控制:slow start、congestion avoidance、快速重传、快速恢复】

也有的算法把开端时的重传的拥塞窗口值设置为ssthresh + 3 * MSS。这样做的理由是：既然发送方收到三个重复的承认，就表明有三个分组现已离开了网络。这三个分组不再耗费网络的资源而是停留在接纳方的缓存中。可见现在网络中并不是堆积了分组而是减少了三个分组。因而可以适当把拥塞窗口扩大了些。

在选用快康复算法时，慢开端算法只是在 TCP 衔接建立时和网络呈现超不时才运用。

选用这样的拥塞操控办法使得TCP的功能有明显的改进。

当发送方接连收到三个重复承认，就履行“乘法减小”算法，把ssthresh折半，这是为了防备网络产生拥塞。

因为发送方现在以为网络很可能没有产生拥塞，因而，与慢开端不同之处是现在不履行慢开端算法，即cwnd现在不康复到初始值，而是把cwnd值设为ssthresh折半后的数值，然后开端履行拥塞防止算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢的线性增大。

2. 总结

  • 接纳方依据自己的接纳才能设定了接纳窗口rwnd，并把这个窗口值写入TCP首部中的窗口字段，传送给发送方。因而，接纳窗口又称为告诉窗口。因而，从接纳方对发送方的流量操控的视点考虑，发送方的发送窗口必定不能超过对方给出的接纳窗口rwnd。

  • 发送方窗口的上限值swnd = Min(rwnd, cwnd)

  • 当rwnd < cwnd时，是接纳方的接纳才能约束发送方窗口的最大值。

  • 当cwnd < rwnd时，则是网络的拥塞约束发送方窗口的最大值。