趣談TCP擁塞控制
若網絡中兩個端系統A和B之間進行通信，只要兩者之間存在空間距離，由於光速的傳播時延，一定意味著A與B之間存在一定的容量，可以容納若干數據段，因此可以將其中的傳輸介質看作一般的緩存，且為了更具普遍性，我們可以認為A與B之間的所有路由器、交換機等中間節點的緩存隊列也包含在A與B的網絡緩存之中。為達到最高的網絡利用率，最好的現象就是A與B之間的緩存（包括節點隊列及網絡本身）中完全充滿TCP數據段，並且能夠維持無間隙的持續流動。
如上圖所示，在兩個端系統之間的網絡被填滿時，A與B之間共存在N個數據段，事實上發送端還是可以繼續發送數據。因為網絡被填滿後，發送端每發送一個數據段，接受端同時也會消費掉一個數據段併發出一個ACK。假定ACK的速率和數據段的速率一致，發送端能夠持續發送2*N個數據段，發送的開始時間是第一個數據段發送的時間，結束時間是第一個數據段的ACK回到發送端的時間，即為一個RTT，若發送速率為r，則可以獲得等式：
2 * N = r * RTT
由以上過程可以得知，前N個段是為了填滿A與B之間的網絡，後N個段是在A與B之間已經滿載的情況下ACK時鐘驅動的pacing。隨後的2*N個數據段是一個新的週期，即一個RTT內2*N個數據段。這就是最理想情況下的情景，數據充滿了網絡，不間斷地從發送端發出，ACK也不間斷地從接受端返回。
TCP在經歷三次握手建立連接後開始傳送數據，但並不是一開始就向網絡中發送大量的數據包，而是根據初始的cwnd大小逐步增加，cwnd初始化為一個最大報文段（MSS）的大小，每當有一個報文段被確認，cwnd大小指數增長：
開始 -> cwnd = 1
1個RTT -> cwnd = 2
2個RTT -> cwnd = 4
3個RTT -> cwnd = 8
……
若帶寬為W，那麼經過RTT * log2W時間就可以佔滿帶寬，因此cwnd不能這樣無限增長，而是需要一個限制。TCP使用慢啟動門限（ssthresh）變量檢測擁塞避免的觸發，一旦cwnd >= ssthresh，慢啟動過程結束，擁塞避免開始，此時cwdn的值不再指數上升，而是開始進行線性增加，當滑動窗口中所有的報文段都被確認時，cwnd的大小加1，直到發送方RTO超時導致重傳了一個報文段後進行如下操作：
1.把ssthresh降低為cwnd值的一半；
2.把cwnd重新設置為1；
3.重新進入慢啟動過程。
TCP還有一種情況會進行重傳，即收到3個相同的ACK。TCP在收到亂序的數據段時會立刻進行確認，利用3個相同的ACK來判定數據包的丟失，此時進行快速重傳：
1.把ssthresh降低為cwnd值的一半；
2.把cwnd再設置為ssthresh的值；
3.重新進入擁塞避免階段。
後來的“快速恢復”算法是在上述的“快速重傳”算法後添加的，當收到3個重複ACK時，TCP最後進入的不是擁塞避免階段，而是快速恢復階段。快速重傳和快速恢復算法一般同時使用。快速恢復的思想是“數據包守恆”原則，即同一個時刻在網絡中的數據包數量是恆定的，只有當“老”數據包離開了網絡後，才能向網絡中發送一個“新”的數據包，如果發送方收到一個重複的ACK，那麼根據TCP的ACK機制就表明有一個數據包離開了網絡，於是cwnd加1。如果能夠嚴格按照該原則那麼網絡中很少會發生擁塞，事實上擁塞控制的目的也就在修正違反該原則的地方。快速恢復的主要步驟是：
1.當收到3個重複ACK時，把ssthresh設置為cwnd的一半，把cwnd設置為ssthresh的值加3，然後重傳丟失的報文段，加3的原因是因為收到3個重複的ACK，表明有3個“老”的數據包離開了網絡；
2.再收到重複的ACK時，擁塞窗口加1；
3.當收到新的數據包的ACK時，把cwnd設置為第一步中的ssthresh的值。原因是因為該ACK確認了新的數據，說明從重複ACK時的數據都已收到，該恢復過程已經結束，可以回到恢復之前的狀態了，也即再次進入擁塞避免狀態。
為便於理解TCP擁塞控制的簡單過程，可進行如下類比：
慢啟動（Slow Start）
亞當隔著山頭扔玉米棒子給夏娃，亞當不知道夏娃能接多快，於是一次扔1個，編號為1。
夏娃喊2，意思是老孃1號玉米棒子已經收到，準備迎接2號玉米棒子。
亞當一次扔2個，編號為2、3。
夏娃喊4，準備迎接更多的玉米棒子。
亞當一次扔4個，編號為4、5、6、7。
夏娃喊8，意思是讓玉米棒子來得更猛烈些吧！
亞當一次扔8個，編號為8、9、…15。
夏娃嘴裡一直重複喊編號12，次數為3次，這裡傳達以下信息：
8-11號玉米棒子已經安全到達
12號玉米棒子肯定丟了
13、14、15號玉米棒子也應該安全到達，否則夏娃只會喊一次12，是13、14、15號玉米觸發夏娃重複的叫喊。
亞當意識到自己扔太快了，需要降速，降到多少合適呢？降一半，一次扔4個沒有問題。
if ( dupacks >= 3 ) {
ssthresh = max( 2 , cwnd / 2) ;
}
這裡cwnd =8，所以ssthresh=4。
但外面至少還有3個發出的玉米棒子還沒有確認（Outstanding Packet），如果將cwnd = ssthresh=4則意味著亞當最多一次可以扔四個玉米，但3個發出卻沒有確認的玉米棒子佔了3個名額，所以亞當最多一次只能扔一個玉米棒子，發送速率急劇下降，這不合理。
快速重傳
既然收到夏娃三次重複的確認，說明丟的玉米棒子（12）後的3個已經成功接收，不在空中飛，這3個雖然還沒有明確地確認，但已經隱含地確認了，所以這3個玉米棒子不應該佔據在空中飛玉米的數量，在空中飛的玉米應該是4個，再加上到達夏娃的3個，所以亞當的cwnd (Congestion Window）應該為7個。
cwnd = ssthresh + 3 * SMSS= 4+3=7
亞當的快速重傳
1.重傳12號玉米
2.扔16、17、18、19號玉米
快速重傳結束信號
一旦亞當接到夏娃16號玉米或之後的確認，快速重傳/快速修復完成。
擁塞避免（Congestion Avoidance)
亞當意識到一次扔4個安全，於是選擇以cwnd = ssthresh=4為基準線，如果一次扔4個沒有問題，那就一次扔5個、6個，線性增長到夏娃的接收極限。
參考：知乎--車小胖
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