趣谈TCP拥塞控制
若网络中两个端系统A和B之间进行通信，只要两者之间存在空间距离，由于光速的传播时延，一定意味着A与B之间存在一定的容量，可以容纳若干数据段，因此可以将其中的传输介质看作一般的缓存，且为了更具普遍性，我们可以认为A与B之间的所有路由器、交换机等中间节点的缓存队列也包含在A与B的网络缓存之中。为达到最高的网络利用率，最好的现象就是A与B之间的缓存（包括节点队列及网络本身）中完全充满TCP数据段，并且能够维持无间隙的持续流动。
如上图所示，在两个端系统之间的网络被填满时，A与B之间共存在N个数据段，事实上发送端还是可以继续发送数据。因为网络被填满后，发送端每发送一个数据段，接受端同时也会消费掉一个数据段并发出一个ACK。假定ACK的速率和数据段的速率一致，发送端能够持续发送2*N个数据段，发送的开始时间是第一个数据段发送的时间，结束时间是第一个数据段的ACK回到发送端的时间，即为一个RTT，若发送速率为r，则可以获得等式：
2 * N = r * RTT
由以上过程可以得知，前N个段是为了填满A与B之间的网络，后N个段是在A与B之间已经满载的情况下ACK时钟驱动的pacing。随后的2*N个数据段是一个新的周期，即一个RTT内2*N个数据段。这就是最理想情况下的情景，数据充满了网络，不间断地从发送端发出，ACK也不间断地从接受端返回。
TCP在经历三次握手建立连接后开始传送数据，但并不是一开始就向网络中发送大量的数据包，而是根据初始的cwnd大小逐步增加，cwnd初始化为一个最大报文段（MSS）的大小，每当有一个报文段被确认，cwnd大小指数增长：
开始 -> cwnd = 1
1个RTT -> cwnd = 2
2个RTT -> cwnd = 4
3个RTT -> cwnd = 8
……
若带宽为W，那么经过RTT * log2W时间就可以占满带宽，因此cwnd不能这样无限增长，而是需要一个限制。TCP使用慢启动门限（ssthresh）变量检测拥塞避免的触发，一旦cwnd >= ssthresh，慢启动过程结束，拥塞避免开始，此时cwdn的值不再指数上升，而是开始进行线性增加，当滑动窗口中所有的报文段都被确认时，cwnd的大小加1，直到发送方RTO超时导致重传了一个报文段后进行如下操作：
1.把ssthresh降低为cwnd值的一半；
2.把cwnd重新设置为1；
3.重新进入慢启动过程。
TCP还有一种情况会进行重传，即收到3个相同的ACK。TCP在收到乱序的数据段时会立刻进行确认，利用3个相同的ACK来判定数据包的丢失，此时进行快速重传：
1.把ssthresh降低为cwnd值的一半；
2.把cwnd再设置为ssthresh的值；
3.重新进入拥塞避免阶段。
后来的“快速恢复”算法是在上述的“快速重传”算法后添加的，当收到3个重复ACK时，TCP最后进入的不是拥塞避免阶段，而是快速恢复阶段。快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复的思想是“数据包守恒”原则，即同一个时刻在网络中的数据包数量是恒定的，只有当“老”数据包离开了网络后，才能向网络中发送一个“新”的数据包，如果发送方收到一个重复的ACK，那么根据TCP的ACK机制就表明有一个数据包离开了网络，于是cwnd加1。如果能够严格按照该原则那么网络中很少会发生拥塞，事实上拥塞控制的目的也就在修正违反该原则的地方。快速恢复的主要步骤是：
1.当收到3个重复ACK时，把ssthresh设置为cwnd的一半，把cwnd设置为ssthresh的值加3，然后重传丢失的报文段，加3的原因是因为收到3个重复的ACK，表明有3个“老”的数据包离开了网络；
2.再收到重复的ACK时，拥塞窗口加1；
3.当收到新的数据包的ACK时，把cwnd设置为第一步中的ssthresh的值。原因是因为该ACK确认了新的数据，说明从重复ACK时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞避免状态。
为便于理解TCP拥塞控制的简单过程，可进行如下类比：
慢启动（Slow Start）
亚当隔着山头扔玉米棒子给夏娃，亚当不知道夏娃能接多快，于是一次扔1个，编号为1。
夏娃喊2，意思是老娘1号玉米棒子已经收到，准备迎接2号玉米棒子。
亚当一次扔2个，编号为2、3。
夏娃喊4，准备迎接更多的玉米棒子。
亚当一次扔4个，编号为4、5、6、7。
夏娃喊8，意思是让玉米棒子来得更猛烈些吧！
亚当一次扔8个，编号为8、9、…15。
夏娃嘴里一直重复喊编号12，次数为3次，这里传达以下信息：
8-11号玉米棒子已经安全到达
12号玉米棒子肯定丢了
13、14、15号玉米棒子也应该安全到达，否则夏娃只会喊一次12，是13、14、15号玉米触发夏娃重复的叫喊。
亚当意识到自己扔太快了，需要降速，降到多少合适呢？降一半，一次扔4个没有问题。
if ( dupacks >= 3 ) {
ssthresh = max( 2 , cwnd / 2) ;
}
这里cwnd =8，所以ssthresh=4。
但外面至少还有3个发出的玉米棒子还没有确认（Outstanding Packet），如果将cwnd = ssthresh=4则意味着亚当最多一次可以扔四个玉米，但3个发出却没有确认的玉米棒子占了3个名额，所以亚当最多一次只能扔一个玉米棒子，发送速率急剧下降，这不合理。
快速重传
既然收到夏娃三次重复的确认，说明丢的玉米棒子（12）后的3个已经成功接收，不在空中飞，这3个虽然还没有明确地确认，但已经隐含地确认了，所以这3个玉米棒子不应该占据在空中飞玉米的数量，在空中飞的玉米应该是4个，再加上到达夏娃的3个，所以亚当的cwnd (Congestion Window）应该为7个。
cwnd = ssthresh + 3 * SMSS= 4+3=7
亚当的快速重传
1.重传12号玉米
2.扔16、17、18、19号玉米
快速重传结束信号
一旦亚当接到夏娃16号玉米或之后的确认，快速重传/快速修复完成。
拥塞避免（Congestion Avoidance)
亚当意识到一次扔4个安全，于是选择以cwnd = ssthresh=4为基准线，如果一次扔4个没有问题，那就一次扔5个、6个，线性增长到夏娃的接收极限。
参考：知乎--车小胖
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