基础知识

运作方式

TCP 使用多用拥塞控制策略来避免雪崩式拥塞。TCP会为每条连接维护一个“拥塞窗口”来限制可能在端对端间传输的未确认分组总数量。这类似于TCP流量控制机制中使用的滑动窗口。TCP在一个连接初始化或超时后使用一种“慢启动”机制来增加拥塞窗口的大小。其起始值一般为最大分段大小MSS的两倍，虽然名为“慢启动”，起始值也比较低，但其增长非常快：当每个分段得到确认之后，拥塞窗口就会增加一倍，使得每次往返时间（round-trip time，RTT）内拥塞窗口能高效地双倍地增长。

当拥塞窗口超过慢启动阈值（ssthresh）时，算法就会进入“拥塞避免”阶段。在拥塞避免阶段，只要未收到重复确认，拥塞窗口则在每次往返时间内线性增加一个MSS大小。

拥塞窗口

在TCP中，拥塞窗口（congestion window）是任何时刻内确定能被发送出去的字节数的控制因素之一，是阻止发送方至接收方之间的链路变得拥塞的手段。他是由发送方维护，通过估计链路的拥塞程度计算出来的，与由接收方维护的接收窗口大小并不冲突。

当一条连接创建后，每个主机独立维护一个拥塞窗口并设置值为连接所能承受的MSS的最小倍数，之后的变化依靠线增积减机制来控制，这意味如果所有分段到达接收方和确认包准时地回到发送方，拥塞窗口会增加一定数量。该窗口会保持指数增大，直到发生超时或者超过一个称为“慢启动阈值（ssthresh）”的限值。如果发送方到达这个阈值时，每收到一个新确认包，拥塞窗口只按照线性速度增加自身值的倒数。

当发生超时的时候，慢启动阈值降为超时前拥塞窗口的一半大小、拥塞窗口会降为1个MSS（Tahoe算法，其他算法略有不同），并且重新回到慢启动阶段。

在流量控制中，接收方通过TCP的“窗口”值（Window Size）来告知发送方，由发送方通过对拥塞窗口和接收窗口的大小比较，来确定任何时刻内需要传输的数据量。

和式增加，积式减少

和式增加，积式减少（additive-increase/multiplicative-decrease，AIMD，这里简称“线增积减”）是一种反馈控制算法，其包含了对拥塞窗口线性增加，和当发生拥塞时对窗口积式减少。多个使用AIMD控制的TCP流最终会收敛到对线路的等量竞争使用。

Tahoe 算法

Tahoe 算法主要有三个机制来控制数据流和拥塞窗口

  • 慢启动 slow start（SS）
  • 拥塞避免 congestion avoidance（CA)
  • 快速重传 fast retransimit（FS）

慢启动阶段：初始设置拥塞窗口值为1，2，4或10个 MSS。拥塞窗口在每接收到一个确认包时增加，每个RTT内成倍增加，。发送速率随着慢启动的增加而进行，直到遇到出现丢失、达到慢启动阈值、或者接收方的接收窗口进行限制。如果发生丢失，则TCP推断网络出现了拥塞，会试图采取措施来降低网络负载。

在处理报文丢失的事件上，Tahoe 算法会进入“快速重传”阶段，慢启动阈值设为之前拥塞窗口值的一半，拥塞窗口值降为初始值，重新进入慢启动阶段。当拥塞窗口值达到慢启动阈值时，每RTT内拥塞窗口增加值则为“MSS除以CWND”的值，所以拥塞窗口按线性速度增加。

Reno 算法

Tahoe 算法在遇到报文丢失之后的反应过于保守，直接进入慢启动阶段。Reno 算法实现了一个名为“快速恢复”的机制，慢启动阈值设为之前拥塞窗口值的一半，和作为新的拥塞窗口值，并跳过慢启动阶段，直接进入拥塞控制阶段。

图1. Tahoe VS Reno

cubic 算法

在现今网络带宽朝着速度更快，距离更长的趋势发展。传统网络拥塞算法中性能不够优越，BDP(bandwidth and delay product，代表带宽被完全利用时网络能容纳的数据总量包)不高。主要是因为在进入拥塞避免阶段之后，拥塞窗口每经过一个RTT才加1，拥塞窗口增长速度太慢，当遇到高带宽环境时，要经过很多 RTT ，拥塞窗口才能接近于一个BDP。如果数据流很短，那么拥塞窗口没有达到BDP之前，数据流就已经结束了。

CUBIC的窗口增长是一个三次函数，启动更快，经过一段时间稳定的数据传输之后，也可以更快的找到新的拥塞窗口值。

在遇到数据丢失的情况时，CUBIC 会通过乘以因子 β （0，1）来降低拥塞窗口。

BBR 算法

上面的算法中，有一个假设就是“丢包的发生意味着网络的拥塞”。而在无线环境中，电磁波受到干扰的情况会大大的增加，丢包并不意味着网络负载已经达到了最大。

BBR算法，致力于解决两个问题：

  1. 在有一定丢包率的网络链路上充分利用带宽
  2. 降低网络链路上的buffer占用率，从而降低延迟。

而且，丢包的发生不只有拥塞的丢包，还有错误的丢包。而基于丢包的TCP拥塞控制算法不能区分拥塞丢包 和 错误丢包。

而错误丢包率则在不同网络下大有不同，在数据中心延迟一般为10-100微妙，带宽10-40微妙，带宽为10-40 Gbps，乘起来得到的发送窗口（BDP）为12.5KB 到 500KB。而在广域网中，带宽可能是100Mbps，延迟为100毫秒，乘起来的发送窗口为10MB。丢包错误率一般跟发送窗口的平方成反比，这样，广域网的发送窗口比数据中心高一到两个数量级，这样其错误丢包率要低2-4个数量级才能正确工作。因此标准TCP在有一定错误丢标率的长肥管道上只会收敛到一个很小的发送窗口。

其次网络中会有一些 buffer 造成缓冲区膨胀的问题。

BBR 算法通过以下两点解决问题：

  1. 既然区分不了拥塞丢包和错误丢包，那么索性就不再考虑丢包。
  2. 既然灌满数据数据管道的方式容易造成缓冲区膨胀，那么 BBR 就直接分别估计带宽和延时，而不是直接估计水管的容积。

但是也有一种观点认为，BBR 算法在有一定丢包率的情况下，抢占了更多的公网带宽，有一种不道德的感觉。但我认为，当所有人都使用更先进的拥塞控制算法时，网络的资源利用率一定会大大提升。 关于 BBR 算法的详解，可以看我下一篇博客。