TCP的拥塞控制
拥塞控制的一般原理
· 拥塞现象：即在某段时间里，对网络中的资源（带宽、缓存、处理能力等）的需求超过了该资源所提供的可用部分，导致网络性能变差。拥塞的最坏结果就是系统崩溃。
· 拥塞是由诸多因素产生的：
· 拥塞控制：即防止过多的数据注入到网络中，这样就可以使网络中的路由器或链路不至于过载。
- 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及所有的主机、路由器，以及与降低网络性能相关的所有因素。
· 拥塞控制和流量控制的区别：
相对而言，拥塞控制是一个全局性的过程，而流量控制是点对点的。
但其实，某些拥塞控制算法会向发送方发送控制报文，告诉发送方网络出现拥塞，必须放慢发送速度，这与流量控制类似。
· 拥塞控制的基本思想就是让网络吞吐量慢慢上升，而不至于超过阈值：
· 拥塞控制的一般原理：
首先我们要知道，拥塞控制的基本前提是网络至少能够承受当前的负荷，而不是系统已经崩溃。
拥塞控制是一个动态问题，我们知道拥塞的成因是需求>可用量，因此我们的解决思路就是让需求<=可用量。
因此，我们提出两种解决拥塞的思路：
- 增加网络资源可用量。
- 减少用户对资源的需求。
· 开环控制和闭环控制：
· TCP采用的是闭环控制，闭环控制的措施：
· 监测网络拥塞的主要指标如下，这些指标的上升都意味着网络发生拥塞：
TCP的拥塞控制方法
· TCP采用基于窗口的方法进行拥塞控制。
· 拥塞窗口（Congestion Windows，cwnd）是由发送方维持的一个状态变量，其大小取决于网络拥塞程度，是动态变化的。
· 发送方的发送窗口不仅考虑接收方的接收窗口，还要考虑拥塞窗口，因此：
· 控制拥塞窗口的大小的原则很简单：没拥塞的话窗口就大一点，否则小一点。
· TCP使用4种拥塞控制方法如下：
慢开始（Slow-Start）：由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。
可以发现，使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次（Transmission Round），拥塞窗口cwnd就加倍。
每次都翻倍的话，cwnd的增长速度是非常快的，这可能导致拥塞，因此我们引入慢开始门限ssthresh：
注意区分对于每一个确认报文cwnd+=1和每一个轮次cwnd*=2的区别，实际上是一样的，只是表示不同。
拥塞避免算法：和慢开始类似，都是让拥塞窗口缓慢增大，只不过这里是每经过一个传输轮次，拥塞窗口cwnd+=1，这样就可以使拥塞窗口按线性规律缓慢增长。
该算法目的在于迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够的时间处理队列中积压的分组。
所以实际上这个算法就是控制发送窗口的大小。
算法原理：无论是在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（即重传计时器超时）就执行：
- ssthresh = max(cwnd/2, 2)
- cwnd = 1
- 执行慢开始算法
举个例子如下：
当TCP连接初始化的时候，cwnd=1，假设rwnd足够大，那么发送窗口swnd只由cwnd决定；初始化ssthresh=16。
- 0-4传输轮次：慢开始阶段，每经过一轮cwnd翻倍。
- 4-12传输轮次：cwnd到达ssthresh，变为拥塞避免，每经过一轮cwnd+1。
- 当cwnd=24时，网络出现超时，发送方判断出现阻塞，于是ssthresh=ssthresh/2=12，cwnd=1，重新进入慢开始。
- 13-17传输轮次：慢开始阶段，每经过一轮cwnd翻倍。
- 当cwnd=12时达到ssthresh，变为拥塞避免，每经过一轮cwnd+1。
- 21传输轮次：出现一个新情况，发送方一连收到3个对同一个报文段的重复确认（记为3-ACK），发送方改为执行快重传和快恢复算法。
快重传（Fast Retransmit）：发送方只要一连收到3个重复确认，就知道接收方确实没有收到报文（因为接收方一直在等待，所以发送同一个ACK），此时应立即执行重传，这样发送方就不会等待超时从而误认为是网络拥塞。
使用快重传可以使整个网络的吞吐量提升20%。注意，快重传不是取消重传计时器，而是在某些情况下可以更早地执行重传。
快恢复（Fast Recovery）：当发送方一连接收到3个重复确认时，由于发送方现在认为网络很可能没有发生阻塞，因此现在不执行慢开始，而是执行快恢复：
- 慢开始门限ssthresh = cwnd / 2；
- 新拥塞窗口cwnd = ssthresh；
- 开始执行拥塞避免算法
回到上面图的例子：21轮次的时候，发送方收到了3个相同的ACK，此时发送方知道有报文丢失，便执行快重传和快恢复，ssthresh = cwnd / 2 = 8，cwnd = ssthresh = 8，开始执行阻塞避免算法，每经过一个传输轮次cwnd+=1。
加法增大，乘法减小（AIMD）：
从的来说，TCP拥塞控制算法流程图如下，刚刚提到的三种情况都有列出：（重点！）
TCP的运输连接管理
· TCP连接有三个阶段：连接建立->数据传输->连接释放。
· TCP连接有12个状态。（不需要记忆，但可以帮助我们理解整个工作过程）
TCP的连接建立
· TCP连接建立过程需要解决的问题：
· TCP连接建立的过程称为握手（Handshake），具体来说，是客户端和服务器之间交换三个TCP报文段，因此称为三次握手（Three-Way Handshake）。
· 为什么采用三次握手而不是两次：为了防止已经失效的连接请求突然又传送到了，因而产生错误。
- 假如A发送的连接请求在网络节点中停留时间过长，以致于A已经放弃这个连接请求（即释放了）后，请求才到达B，此时B认为这是一个正常的请求，就会给A发送确认，此时即使A收到了B的确认也会直接丢弃，因为A早已放弃该请求，B没收到A的确认，也不会建立连接。如果只有两次握手，那B收到A的请求之后给A回复后就会调用资源准备发送和接收数据，但A其实早已放弃该请求，B只会白白等待浪费资源，故需要三次握手。
· 三次握手具体过程如下：
- 一开始，Client和Server都是CLOSED状态。
- Server开启后变为LISTEN状态，监听来自远方的TCP连接请求。
- Client主动发送连接请求，变为SYN-SENT状态，报文中首部的SYN=1，选择序号seq=x，表明传输数据时第一个数据字节的编号为x。
- Server收到Client的TCP请求报文后，若同意，则发送确认，其中SYN=1，ACK=1，自己选择序号seq=y，确认号ack=x+1。
- Client收到Server的确认后，改变自己的状态为ESTABLISHED，并再次向B给出确认，ACK=1，seq=x+1，确认号ack=y+1。
- Client的TCP通知上层应用，连接已建立，Server收到Client确认后更新状态为ESTABLISHED。
· 实际上，连接建立的时候还需要协商很多参数，如窗口大小、缓冲区等，这里只演示最简单的情况。
TCP的连接释放
· TCP连接释放过程比较复杂，数据传输结束之后，通信双方都可释放连接。
· TCP连接释放过程需要交换4个TCP报文，我们称之为四次挥手（Four-Way Handshake）。
· 具体四次挥手流程如下：
- 数据传输结束之后，双方都可以释放连接，但一般都是Client释放。
- Client向Server发送释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接，该报文FIN=1（优雅地停止），seq=u，Client进入FIN-WAIT-1状态，等待Server的中断请求。
- Server收到Client的释放报文后，通知高层应用进程，并给Client发送确认，ACK=1，seq=v，ack=u+1，Server进入CLOSE-WAIT状态，表示收到并确认中断请求；Client进入FIN-WAIT-2半关闭状态，等待Server连接中断请求。此时，A->B方向的连接就成功被释放了，TCP处于半关闭状态，Server仍能给Client发送数据。
- 若Server也已经没有要给Client发送的数据，其应用进程就通知Server释放TCP连接，并给Client发送中断确认请求，FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1，进入LAST-ACK状态，等待Client确认中断请求。
- Client收到中断确认请求之后，发送中断请求确认，ACK=1，seq=u+1，ack=w+1，自身进入TIME-WAIT状态，要等待2MSL以确保Server能正确接收到中断确认请求。
- Server收到中断确认后，进入CLOSED；Client等待2MSL后，进入CLOSED。
· MSL指的是最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime，MSL），指任何报文段在网络上存在的最长时间，规定时间为2分钟，实际应用可以是30s、1min等。2MSL就是两倍MSL，因此，TIME-WAIT状态也称为2MSL状态。
TCP的有限状态机
· 其实就是我们刚刚说的建立和释放连接的状态变化：
