前邊我們分享了網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議、TCP 三次握手、TCP 四次分手。今天我們繼續(xù)深入分享一下 TCP 中的擁塞控制。

對(duì)于 TCP 的擁塞控制，里邊設(shè)計(jì)到很多細(xì)節(jié)，小鹿希望通過這一節(jié)能夠?qū)⑦@部分內(nèi)容串通起來，能夠讓你更深刻的記憶這部分內(nèi)容。

思維導(dǎo)圖

1. 什么是擁塞控制?

擁塞控制是一種用來調(diào)整傳輸控制協(xié)議(TCP)連接單次發(fā)送的分組數(shù)量的算法。它通過增減單次發(fā)送量逐步調(diào)整，使之逼近當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的承載量。

簡單易懂的話來說，所謂的擁塞控制，從字面的意思來講，網(wǎng)絡(luò)通信就像是一個(gè)水管里的水，如果水突然因?yàn)樗艿内E物阻塞了，那么我們就應(yīng)該采取一定的策略，讓其在阻塞的時(shí)候如何處理。

2. 為什么進(jìn)行擁塞控制?

如果發(fā)送端要給接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)給發(fā)送端返回應(yīng)答信息。如果接收端沒有發(fā)送應(yīng)答信息，發(fā)送端則認(rèn)為該數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，則進(jìn)行重新發(fā)送。

其實(shí)我們也不知道接收端有沒有接收，數(shù)據(jù)包到底在哪一步出現(xiàn)了問題呢?分為兩種情況，如下：

1. 數(shù)據(jù)包真的在半路丟失了

2. 網(wǎng)絡(luò)通信處于擁擠狀態(tài)，數(shù)據(jù)包還沒有到達(dá)接收方。

我們的擁塞控制是主要針對(duì)于第二種情況的。如果網(wǎng)絡(luò)信道中一直處于擁擠狀態(tài)，那么發(fā)送端一直進(jìn)行發(fā)送，就會(huì)變得更加的阻塞，而且同時(shí)白白浪費(fèi)掉了網(wǎng)絡(luò)的資源。

3. 測試網(wǎng)絡(luò)狀況

我們進(jìn)行擁塞控制之前，首先要判斷網(wǎng)絡(luò)信道是否阻塞了，當(dāng)判斷出網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，我們才能進(jìn)行擁塞控制。我們一般通過向網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包來進(jìn)行測試，測試過程中，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包到達(dá)了一定的程度，網(wǎng)絡(luò)通信就會(huì)阻塞。

有以下兩種探測網(wǎng)絡(luò)的情況，第一種就是逐漸遞增發(fā)送數(shù)據(jù)包，一次只發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，第二次發(fā)送兩個(gè)，第三次發(fā)送三個(gè)，以此類推，總會(huì)在一個(gè)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)擁堵情況

第二種情況就是指數(shù)型的增長，顧名思義，就是發(fā)送數(shù)據(jù)包以指數(shù)的形式進(jìn)行增長，第一次發(fā)生一個(gè)，第二次發(fā)送兩個(gè)，第三次發(fā)送四個(gè)...也會(huì)在某一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擁堵。

但是第一種方法有一個(gè)問題就是增長的太慢，當(dāng)?shù)竭_(dá)到擁塞時(shí)，需要經(jīng)歷很長的時(shí)間，這種探測的方式效率太低。

當(dāng)我們使用第二種方法時(shí)，指數(shù)增長就會(huì)出現(xiàn)增長的太快，會(huì)錯(cuò)過增長的點(diǎn)。

既然兩種方式各有所長，我們就結(jié)合兩種方式，首先我們進(jìn)行指數(shù)增長，我們?cè)O(shè)定一定的閥值，然后到達(dá)閥值之后，然后進(jìn)行逐次遞增，直到出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞為止。

• 指數(shù)增長階段稱為慢啟動(dòng)
• 逐次增長稱之為擁塞避免

4. 什么是擁塞窗口?

我們把一次性能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)包多少的窗口稱之為擁塞窗口。

我們通過控制發(fā)送窗口的大小，也就是發(fā)送數(shù)據(jù)包的多少來進(jìn)行擁塞控制。

5. 阻塞超時(shí)

當(dāng)數(shù)據(jù)包增長到一定程度就會(huì)出現(xiàn)超時(shí)事件(阻塞)，出現(xiàn)超時(shí)事件就認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)擁塞了，不能再繼續(xù)增長了，此時(shí)標(biāo)記為一個(gè)最大值 M。

如果超時(shí)了之后，我們開始進(jìn)行擁塞控制，怎么做呢?我們將增長的閥值進(jìn)行降低，降低到 M 的一半大小，也就是 M/2。如下圖所示，最大值為 24，此時(shí)發(fā)生擁塞，所以將閥值降為 12。

有的小伙伴就說了，你那超時(shí)不一定發(fā)生阻塞了，上邊你也提到了，可能出現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的丟失，那怎么判斷這種情況呢?

6. 判斷發(fā)送超時(shí)的情況

我們上邊也說了，超時(shí)存在兩種情況，我們就采用連續(xù)發(fā)送 ACK 的方式來進(jìn)行判斷到底是網(wǎng)絡(luò)阻塞了還是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失了。

如下圖所示，如果發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，接收端成功接收之后，就會(huì)返回一個(gè)響應(yīng)數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送端再次發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

一旦發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候中途丟失了，接收端會(huì)返回上一次接收的數(shù)據(jù)包的確認(rèn)響應(yīng)數(shù)據(jù)包，當(dāng)發(fā)送端連續(xù)接收到三個(gè)相同的響應(yīng)數(shù)據(jù)包時(shí)，就說明該數(shù)據(jù)包丟失了，然后快速重傳該數(shù)據(jù)包。

然后會(huì)把我們的閥值設(shè)置為擁塞最大值 M 的一半，這時(shí)候的擁塞窗口的大小為 1，當(dāng)擁塞窗口的大小等于閥值時(shí)，再進(jìn)行線性增長。我們也把上邊這種情況稱之為快速恢復(fù)。

小結(jié)

今天主要分享了 TCP 的擁塞控制，為什么會(huì)有擁塞控制?如何進(jìn)行擁塞控制以及如何判斷網(wǎng)絡(luò)中的情況。

通過擁塞控制，我們能夠更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)高效的傳輸，除此之外，我們后邊的文章還會(huì)更新 TCP 的流量控制，為了能夠使得網(wǎng)絡(luò)中的流量得到充分的利用。