TCP/IP 學習筆記

1 擁塞避免演算法

 名稱解釋：

 報文段---

 TCP一次傳輸所發送的一定長度的位元組段。

 TCP的滑動視窗機制，作為接收方管理髮送方發送資料量的手段，以防止接收方的接收緩衝區因為滿而溢出。

擁塞視窗(cwnd)，

接收端通知視窗(rwnd)，

慢啟動閥值(ssthresh)，

慢啟動的特徵：1 cwnd被初始化為一個資料包大小

                              2 cwnd
指數增長

擁塞避免：1在一個RTT時間內cwnd只增加一個MSS大小

                     2 cwnd線性增長

快速重傳：連續收到三個重複的ack就認定資料包丟失，重傳資料包（不管RTO）。

1、擁塞避免演算法出現的原因

        擁塞避免演算法是一種處理丟失分組的演算法。

 1.1擁塞和丟失的關係

報文段丟失的認定標準就是：TCP發送逾時和連續收到三次重複的ACK(Jacondson演算法)。

 兩個通訊主機之間如果有報文段丟失，就表示二者通訊存在擁塞。

2、擁塞發生後的處理

擁塞發生後，要做的就是降低分組進入網路的傳輸速率。而慢啟動演算法正好可以降低傳輸速率.

2.1 擁塞避免演算法和慢啟動演算法 2.1.1演算法圖解

 

2.1.2
存在的問題

         在長延時的通訊環境中效率很低。根據TCP協議，串連建立後，首先根據慢啟動演算法對流量進行控制。按照慢啟動策略初始發送視窗大小為1個基本資料包，然後按指數增大接收視窗。這樣，從開始到恢複到最大發送視窗所需的時間為：慢啟動時間=RTT×1og2（max－win／MSS）其中：RTT為往返時延；max－win為TCP最大視窗；
MSS為每個資料包的長度。按照RTT＝0.5s，max－win=64K位元組，MSS＝512位元組，則侵啟動時間為3.5s。這說明在前3.5s內，TCP傳輸不可能達到峰值傳輸速率。在實際應用中，當發送視窗大於慢啟動門限視窗後，便進入了擁塞避免過程，在擁塞避免演算法中，視窗的增加速率更加緩慢，不再是慢啟動演算法中的指數增加，而是呈線性增加的。這一方面會引起網路的激烈振蕩，另一方面大大降低了網路的利用率。

2.1.2實際應用

Tahoe演算法是TCP的早期版本。它的核心思想是：讓cwnd以指數增長方式迅速逼進可用通道容量，然後慢慢接近均衡。Tahoe包括3個基本的擁塞控制演算法：“慢啟動”、“擁塞避免”和“快速重傳”。

    (1)慢啟動：避免了串連建立時突發資料流對網路的衝擊。

    初始設定cwnd為1，並按指數型方式增長，直至cwnd超過ssthresh。

    當cwnd>=ssthresh時，Tahoe進入擁塞避免階段。

    (2)擁塞避免：限制傳輸過程中無限制的速率增長，避免由此可能導致的擁塞。

    cwnd以線性方式增長。

    如果發生逾時或者連續收到3個重複ACK，Tahoe認為發生了擁塞。

    對於逾時，置ssthresh為當前擁塞視窗的一半，cwnd=1，轉入慢啟動。

    如果收到3個連續ACK，則Tahoe進入快速重傳階段。

    (3)快速重傳：根據3個重複的應答報文來判斷丟包，減少了逾時重傳的發生，加快了源端對擁塞的響應，使得擁塞能快速消除。立即重傳丟失的分組，同時置ssthresh為當前擁塞視窗的一半，cwnd=1，轉入慢啟動。

 2.2快速重傳與快速恢複演算法

Jacondson演算法(快速重傳演算法)：

 TCP傳輸中會統計接收到的重複ACK的次數，當次數大於三次時，說明此重複ACK中確認序號後的報文段丟失，立即重傳。

2.2.1重傳和快速恢複具體過程為   

1. 當收到第3個重複的ACK包時，ssthreh置為阻塞視窗的一半；
  

2. 重傳丟失的包後，將擁塞視窗cwnd設定為sshresh+3*SMSS；   

3. 對於每個接收到的重複的ACK包，cwnd相應增加SMSS，擴大擁塞視窗；
  

4. 如果新的擁塞視窗cwnd值大於接收方待確認資料大小，可以繼續發新包

5. 當收到下一個ACK確認了新資料時，將cwnd大小調整為sshresh，減少視窗；對接收方來說，接收到重發的TCP包後就要發此ACK確認當前接收的資料。

2.2.2
快速恢複演算法的特點

       （1）與慢啟動不同cwnd不設定為1
而是設定為ssthresh+3

(2)如收到重複的ack(n>3),將cwnd設定為ssthresh+n

(3)如果發送視窗依然允許發送資料，則按擁塞避免演算法繼續發送資料

(3)如收到新的ack
將cwnd縮小為ssthresh。

2.2.3實際應用

針對Tahoe演算法的不足之處，1990年Jacobson在Tahoe的基礎上提出了改進演算法Reno。改進主要有兩個方面：一是對於收到連續3個重複ACK，演算法不經過慢啟動，而直接進入擁塞避免階段；二是增加了快速重傳/快速恢複機制。具體實現過程為：

    (1)收到三個重複的ACK，進入快速重傳/快速恢複，此時ssthresh設定為當前擁塞視窗的一半。

    (2)重傳丟失的資料包，共置cwnd＝cwnd＋ndup(ndup為收到的重複ACK數)。

    (3)發送新的資料包。

    (4)當收到非重複的ACK時，cwnd＝ssthresh。

    (5)進入擁塞避免階段。

    從上面的過程可以看出，Reno在收到3個重複ACK後，就轉入快速重傳/快速恢複階段；而遇到逾時時，Reno和Tahoe一樣進入慢啟動階段。

Reno目前被廣泛採用，以其演算法的簡單、有效和魯棒性成為TCP源演算法的主流。但是如果在一個發送視窗內有多個包丟失時，該演算法不能有效恢複出來，為此提出了一些改進，如NewReno、Sack等

2.3 Reno與Tahoe的區別

Reno與Tahoe相比，增加了快速恢複階段，也就是說，完成快速重傳後，進入了擁塞避免階段而不是慢啟動階段。