简述TCP拥塞控制的基本目标与核心机制

题目

简述TCP拥塞控制的基本目标与核心机制

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐

考点

拥塞控制目的,慢启动原理,拥塞避免机制

快速回答

TCP拥塞控制的核心目标是防止网络过载，通过动态调整发送速率来避免路由器丢包和网络瘫痪。主要机制包括：

• 慢启动（Slow Start）：初始指数级增长窗口大小，快速探测可用带宽
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：达到阈值后线性增长窗口，谨慎避免拥塞
• 拥塞检测：通过丢包事件（超时/重复ACK）触发窗口调整

一、核心目标与原理说明

网络拥塞发生在路由器缓冲区溢出导致数据包丢失时。TCP拥塞控制通过发送窗口动态调整实现：

• 目标1：最大化网络吞吐量
• 目标2：保证网络公平性
• 目标3：避免全局同步（所有连接同时降速）

二、核心机制详解

1. 慢启动（Slow Start）

连接建立时，拥塞窗口（cwnd）从1 MSS开始：

• 每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS
• 实际效果：每轮次（RTT）窗口大小翻倍
• 终止条件：达到慢启动阈值（ssthresh）或检测到丢包

# 伪代码示例
cwnd = 1  # 初始拥塞窗口（单位：MSS）
ssthresh = 16  # 慢启动阈值
while cwnd < ssthresh:
    send(cwnd)  # 发送cwnd个报文
    for each ACK received:
        cwnd += 1  # 指数增长

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）

当cwnd ≥ ssthresh时：

• 每收到一个ACK，cwnd增加 1/cwnd
• 实际效果：每轮次（RTT）窗口增加1 MSS
• 数学公式：cwnd = cwnd + 1/cwnd (per ACK)

# 伪代码示例（接慢启动阶段）
while no_packet_loss:  # 无丢包时持续
    send(cwnd)
    for each ACK received:
        cwnd += 1/cwnd  # 线性增长

三、拥塞检测与响应

• 超时重传：cwnd重置为1，ssthresh减半
• 重复ACK（快速重传）：cwnd减半后直接进入拥塞避免

四、最佳实践

• 初始ssthresh设置：现代TCP通常设为较高值（如10-16 MSS）
• 公平性保障：所有TCP连接使用相同算法实现带宽公平分配

五、常见错误

• 误认为慢启动很慢（实际增长是指数级的）
• 混淆流量控制（接收方控制）与拥塞控制（网络状态控制）
• 忽略RTT对窗口增长速度的影响

六、扩展知识

• TCP Tahoe：基础版本（含慢启动+拥塞避免）
• TCP Reno：增加快速恢复机制
• 现代变种：CUBIC（Linux默认）、BBR（Google）
• 拥塞窗口与接收窗口关系：实际发送窗口 = min(拥塞窗口, 接收方通告窗口)