深入理解TCP（二）

　上一篇/article/5718294.html中已经讲到TCP跟踪一个拥塞窗口来（cwnd）提供拥塞控制服务，通过调节cwnd值以控制发送速率。那么TCP如何基于丢包事件来设置cwnd值？通过TCP拥塞控制算法来实现。TCP拥塞控制算法主要有三部分：慢启动、拥塞避免、快速恢复。

1、慢启动

　　当一条TCP连接开始时，cwnd的值一般初始设置为MSS的较小值。因为只有当发送方接收到ACK，才会更新cwnd的值，所以在一个RTT时间内，发送方只能发送cwnd字节大小的数据，这就使得初始发送速率大约为MSS/RTT。这是一个较小的值，大部分的带宽还是空闲的，如何迅速更新cwnd以提高带宽利用率？？

　　慢启动状态：cwnd的值以1个MSS开始并且每当传输的报文段首次被确认就增加一个MSS。

刚开始在第一个RTT中，cwnd只有1个MSS，发送一个报文;
收到一个ACK，此时cwnd增加1个MSS，在第2个RTT，cwnd为2个MSS，发送两个报文;
会收到两个ACK，此时cwnd增加2个MSS，所以在第3个RTT中，cwnd为4个MSS，发送4个报文；
依次类推。

　　从上面的过程，不难发现每过一个RTT，发送速率就会翻一倍。虽然起始速率只有MSS/RTT，但是在慢启动的过程中是以指数增长的。当然，带宽是有限的，发送速率不可能无限制地增长，那么问题来了，什么时候结束这种指数增长？？

　　(1) 当有一个超时引起的丢包事件（拥塞）时，TCP发送方将cwnd设置为1并重新开始慢启动过程；同时将慢启动阈值ssthresh设置为cwnd/2。

　　(2) 在(1)重新慢启动过程中，当cwnd的值增长到大于等于慢启动阈值ssthresh时，慢启动结束，同时转移到拥塞避免模式。

　 (3) 如果在慢启动的过程中，发送方收到3个冗余的ACK，TCP就结束慢启动过程，执行快速重传并进入快速恢复模式。

2、拥塞避免

　　上面说到，只有当再次启动慢启动并且cwnd增长到大于等于慢启动阈值ssthresh时，才会进入拥塞避免模式，所以当进入到拥塞避免时，cwnd的值大概是在第一次遇到拥塞时的cwnd的值的一半。此时如果继续进行慢启动就会使cwnd的值翻倍从而可能导致拥塞。所以拥塞避免模式对于每次收到的ACK，并不像慢启动那样直接将cwnd增加一个MSS字节，而是增加MSS*MSS/cwnd字节。也就是说当MSS=1460字节，cwnd为14600字节，那么每次收到一个ACK，cwnd增加1460*1/10字节，只有收到10个ACK，cwnd才会增加一个MSS。

　　问题来了，与慢启动一样，难道cwnd的值也是这么一直增长下去么？？什么时候结束呢？

　　(1) 当有一个超时引起的丢包事件（拥塞）时，同慢启动一样，TCP发送方将cwnd设置为1并重新开始慢启动过程；同时将ssthresh设置为cwnd/2。

　 (2) 当收到3个冗余的ACK时，ssthresh设置为cwnd/2，TCP将cwnd的值设置为ssthresh+3，进入快速恢复模式。

3、快速恢复

　　对于引起TCP进入快速恢复状态的缺失报文段，对收到的每个冗余ACK，cwnd的值增加1个MSS，当收到新的ACK时TCP把cwnd设置为ssthresh的值后进入拥塞避免状态。

　　当在快速恢复阶段出现超时事件，cwnd的值被设置为1个MSS，并且ssthresh的值设置为cwnd的一半，进入慢启动状态。

　　TCP的拥塞控制其实是加性增、乘性减（AIMD）的拥塞控制方式，当TCP连接的路径上没有拥塞（通过判断丢包事件）时，发送速率加性增；当出现丢包事件时，发送速率乘性递减。我们知道UDP本身是没有实现拥塞控制的，其实如果大量使用UDP而没有任何约束，那么网络就很容易出现死锁，使得端到端之间很少有数据能够被传输。

4、总结：

　　当然，虽然UDP是不可靠、无连接的传输层协议，而TCP是面向连接的提供可靠数据传输的传输层协议。但是UDP的应用依旧很广，像DNS,QQ都是用的是UDP，很多人会奇怪，为什么TCP提供了那么多服务，为什么不用TCP而用这么不可靠的UDP呢？？

　　其实无论TCP还是UDP，在如此复杂的网络中，并不可能是完全可靠的。

TCP只是通过确认和重传机制来保证它的可靠性，而UDP并没有确认和重传机制。
TCP提供有序的数据流服务，UDP每个数据包是单独的，在接收方并不保证提交给应用层的数据包是有序的。
TCP提供流量控制和拥塞控制，通过流量控制，可以让发送方和接收方的应用层从接收缓冲区读取数据的速率匹配，从而不会因为接收缓冲区满而发生丢包；通过拥塞控制，每一个通过拥塞链路的TCP连接都能够平等地共享链路带宽。

　　但是正因为TCP提供了这么多的服务，使得TCP变得很臃肿，很难发送大容量的数据；这时候，轻量的传输层协议UDP就站出来了。UDP很简单，不提供那么多的机制和服务，使得UDP的传输速率可以比TCP快很多。当然有人会说，UDP丢包率很高，UDP接收到无序的数据包，UDP没有拥塞，可能导致网络瘫痪等等一些问题。

　　因为传输层及以上的层次都是只在端系统中实现的，在网络分组交换机中只有网络层一下的实现，也就是说TCP的所有这些服务都是基于端到端的服务。既然是端到端的服务，那么上述的所有问题都可以通过上层（也就是应用层）来实现，通过在应用层把发送的数据进行编号，就可以在接收端对接收的数据进行排序，从而的到有序的数据；通过在应用层添加确认和重传，就可以大大降低丢包率；通过在应用层加一个窗口，来达到流量控制和拥塞控制的目的。当然具体基于UDP的实现其实并不需要把所以TCP的服务都在应用层实现，否则还不如用TCP。我们只需要实现那些我们需要和关系的服务即可，比如说我们需要降低丢包率，我们就只实现重传机制。（当然我们也可以完全不用传输层，应用层直接通过网络层通信）

　　UDP很自由，可以任由上层来实现；TCP很全面，可以给上层提高可靠的数据传输和各种机制。到底选择哪一种传输层协议，其实还要根据具体的应用来选择。存在既有价值，关键是各方面的权衡而已。

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