tcp拥塞控制原理

18.3 拥塞控制

我们在向对端发送数据时，并不是一股脑子任意发送，因为TCP建立连接后，就是建立了一根管道，这跟管道上，实际上有很多的工作设备，比如路由器和交换机等等，他们都会对接收到的TCP包进行缓存，以便实现排序，然后发送，但是这些设备并不是只为一个TCP连接中转数据包，大量的网络包也许会耗尽存储空间，从而导致TCP连接的吞吐量急剧下降。为了避免这种情况的发送，TCP的设计必须是一种无私的协议，它必须去探测这种网络拥塞的问题，否则我们想想，一旦出现拥塞（判断是否丢包或者是否发生重传），如果TCP只能做重传，那么重传数据包会使得网络上的包更多，网络的负担更重，于是导致更大的延迟以及丢更多的包，于是会进入一个恶性循环，如果网络上的所有TCP连接都是如此行事的话，那么马上就会形成“网络风暴”，会拖垮整个网络，这也是一个灾难。那么TCP就应该能够检测出来这种状况，当拥塞出现时，要做自我牺牲，就像交通阻塞一样，每一辆车都应该把路给让出来，而不是再去抢路了。这说的就是拥塞控制。那是如何控制的呢？

首先，我们得看TCP是如何充分利用网络的，TCP实际上就是逐步探测这个通道的传输的最大能力，这个逐步探索就是我们要讲的慢启动算法，这个慢启动算法就是：新建立的连接不能一开始就大量发送数据包，而是应该根据网络状况，逐步地增加每次发送数据包的量。

具体的工作步骤就是：

慢启动算法：

1. 发送方维护一个拥塞窗口，刚开始时，这个拥塞窗口（cwnd，congestion window）设置为1，这个1代表是一个MSS个字节。

2. 如果每收到一个ACK，那么就指数增长这个cwnd（2,4,8,16,32,64）等，

3. 实际上不会这么一直指数级增长下去，TCP会设置一个慢启动的阈值(ssthresh，slow start threshold，65535个字节) ，当cwnd >= ssthresh时，进入拥塞避免阶段。

拥塞避免阶段

1. 每收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd；

2. 每当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1；

这样放缓了拥塞窗口的增长速率，避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。在这个过程中如果出现了拥塞，则进入拥塞状态。

拥塞状态
那是如何判断出现拥塞状态呢？只要出现丢包就认为进入了拥塞状态。进入拥塞状态也分两种情况：
1） 等到RTO超时（重传超时），重传数据包。TCP认为这种情况太糟糕，反应也很强烈：

• sshthresh = cwnd /2
• cwnd 重置为 1
• 进入慢启动过程

快速重传
2）连续收到3个duplicate ACK时，重传数据包，无须等待RTO。此情况即为下面的快速重传。

【问题】什么情况下会出现3个duplicate ACK？

TCP在收到一个乱序的报文段时，会立即发送一个重复的ACK，并且此ACK不可被延迟。

如果连续收到3个或3个以上重复的ACK，TCP会判定此报文段丢失，需要重新传递，而无需等待RTO。这就叫做快速重传。

TCP Tahoe的实现和RTO超时一样。
TCP Reno的实现是：

• sshthresh = cwnd
• cwnd = cwnd /2
• 进入快速恢复算法——Fast Recovery

上面我们可以看到RTO超时后，sshthresh会变成cwnd的一半，这意味着，如果cwnd<=sshthresh时出现的丢包，那么TCP的sshthresh就会减了一半，然后等cwnd又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，就会成慢慢的线性增涨。我们可以看到，TCP是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

快速恢复算法

TCP Reno

这个算法定义在RFC5681。快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法是认为，你还有3个Duplicated Acks说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像RTO超时那么强烈。 注意，正如前面所说，进入Fast Recovery之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

• sshthresh = cwnd
• cwnd = cwnd /2

然后，真正的Fast Recovery算法如下：

• cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）
• 重传Duplicated ACKs指定的数据包
• 如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1
• 如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，代表恢复过程结束，然后就进入了拥塞避免的算法了。

如果我们仔细思考一下上面的这个算法，你就会知道，上面这个算法也有问题，那就是——它依赖于3个重复的Acks。注意，3个重复的Acks并不代表只丢了一个数据包，很有可能是丢了好多包。但这个算法只会重传一个，而剩下的那些包只能等到RTO超时，于是，进入了恶梦模式——超时一个窗口就减半一下，多个超时会超成TCP的传输速度呈级数下降，而且也不会触发Fast Recovery算法了。

TCP New Reno

于是，1995年，TCP New Reno（参见 RFC 6582 ）算法提出来：

• 当sender这边收到了3个Duplicated Acks，进入Fast Retransimit模式，开发重传重复Acks指示的那个包。如果只有这一个包丢了，那么，重传这个包后回来的Ack会把整个已经被sender传输出去的数据ack回来。如果没有的话，说明有多个包丢了。我们叫这个ACK为Partial ACK。
• 一旦Sender这边发现了Partial ACK出现，那么，sender就可以推理出来有多个包被丢了，于是乎继续重传sliding window里未被ack的第一个包。直到再也收不到了Partial Ack，才真正结束Fast Recovery这个过程。

我们可以看到，这个“Fast Recovery的变更”是一个非常激进的玩法，他同时延长了Fast Retransmit和Fast Recovery的过程。

18.4 BBR算法

上一小节，我们接收了两种拥塞控制算法，一个是Reno、一个是New Reno，现如今，google研发了新的拥塞控制算法BBR，详情见：https://www.zhihu.com/question/53559433

对于BBR算法的测试结果可以参考：
https://www.zhihu.com/question/52933117

那我们如何修改拥塞控制算法呢？

• 首先我们要确保我们是否升级到了4.9版本，使用uname -r 或者uname -a

lizhiyong@ubuntu:~$ uname -r
4.4.0-87-generic
lizhiyong@ubuntu:~$ uname -a
Linux ubuntu 4.4.0-87-generic #110-Ubuntu SMP Tue Jul 18 12:55:35 UTC 2017 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
lizhiyong@ubuntu:~$

• 下载linux内核代码方法：到官网下载https://www.kernel.org/
  或者git：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/

升级内核版本的方法：https://kernelnewbies.org/KernelBuild

修改内核使用的拥塞控制算法：

更新完系统内核之后，就可以开启TCP-BBR了。

1. 编辑/etc/sysctl.conf，并保存

#在文件最底部添加如下两行，如果之前已经有这些内容，请酌情删掉或修改
net.core.default_qdisc=fq
net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr

2. 执行sysctl -p使修改后的配置文件生效
   root@linode:~# sysctl -p
   net.core.default_qdisc = fq
   net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

3. 查看BBR是否开启

首先，执行下边的命令来确定内核已经开启BBR（如果返回的结果中含有BBR则证明内核已经开启）：

sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control
然后，执行下边的命令，看到有tcp_bbr模块，则说明BBR已经启动：

lsmod | grep bbr