TCP 拥塞控制（TCP Congestion Control） 基础概念：TCP与拥塞的本质 TCP协议回顾 ：传输控制协议（TCP）是互联网核心协议之一，位于传输层。其主要特点是 面向连接 、 可靠 的字节流传输。可靠性通过序列号、确认应答、重传机制等保证。 什么是网络拥塞 ：当网络中某一资源（如路由器或链路的带宽、处理能力、缓存队列）的需求超过其容量时，就会发生拥塞。表现包括数据包延迟急剧增加、丢失率升高，甚至全局吞吐量下降，即“拥塞崩溃”。 为什么需要拥塞控制 ：TCP的可靠传输机制在遇到数据包丢失时会触发重传。如果没有拥塞控制，所有TCP连接在遇到丢失时都不断重传，会向已经拥塞的网络注入更多数据，加剧拥塞，形成恶性循环。因此，TCP需要一套机制来 探测网络容量 ，并 动态调整其数据发送速率 ，以匹配网络的承载能力，维持网络稳定和公平。 核心机制：拥塞控制的四个核心算法 TCP拥塞控制不是一个单一动作，而是一个由四个相互协作的算法组成的状态机，主要围绕一个关键变量—— 拥塞窗口（cwnd, Congestion Window） 展开。cwnd代表了发送方在未收到确认的情况下，最多能发送的数据量（以字节或数据段为单位）。实际发送窗口取cwnd和接收方通告窗口的最小值。 慢启动（Slow Start） ： 目的 ：在连接初始或长时间空闲后，快速探测网络的可用带宽。 过程 ：初始cwnd设为一个较小值（如1个最大段大小MSS）。每收到一个对新数据的确认（ACK），cwnd就增加1个MSS。这导致cwnd在每次往返时间（RTT）内 指数增长 （因为ACK会累积确认多个段）。 结束条件 ：当cwnd增长到 慢启动阈值（ssthresh） 时，转入拥塞避免阶段；或者如果检测到数据包丢失（视为拥塞信号），则终止慢启动。 拥塞避免（Congestion Avoidance） ： 目的 ：当cwnd达到一定规模后，从指数增长转为线性增长，缓慢逼近网络容量极限，避免引发拥塞。 过程 ：进入此阶段后，每收到一个ACK，cwnd的增加量变为 MSS * (MSS / cwnd) 。这等效于 每个RTT只将cwnd增加1个MSS ，实现线性增长。 探测与调整 ：此阶段持续线性增加cwnd，直到检测到拥塞信号。 拥塞发生时的反应：快速重传与快速恢复 传统TCP Tahoe算法 ：一旦通过超时或重复ACK判定丢包（即发生拥塞），立即将ssthresh设置为当前cwnd的一半（至少为2个MSS），然后将cwnd重置为1个MSS，重新开始慢启动。这种方式在丢包后窗口收缩剧烈，对吞吐量影响大。 改进的TCP Reno算法（及后续变种） ：引入了“快速重传”和“快速恢复”机制，更高效地处理单个数据包丢失。 快速重传（Fast Retransmit） ：当发送方连续收到3个重复ACK时，推断某个数据段丢失（而非严重拥塞），不等超时，立即重传该数据段。 快速恢复（Fast Recovery） ：在快速重传后执行。将ssthresh设为当前cwnd的一半，然后将cwnd设为 ssthresh + 3个MSS （因3个重复ACK意味着有3个数据段已离开网络）。之后，每收到一个重复ACK，cwnd增加1个MSS（为离开网络的新数据段腾出空间）；当收到对新数据的ACK时，将cwnd设为ssthresh，转入拥塞避免阶段。这避免了从cwnd=1开始的慢启动，保持了较高的吞吐量。 现代发展与算法变种 基础的Reno算法在面对多种复杂网络情况时仍有不足，研究者提出了多种改进算法： TCP NewReno ：改进了快速恢复阶段，能更好地处理一个窗口内多个数据包丢失的情况。 TCP CUBIC ：目前Linux等系统默认的算法。它不再严格依赖ACK作为增长事件，而是将cwnd表示为自上次拥塞事件后时间的 三次函数 。其增长曲线在远离上次拥塞点时增长更快，接近上次窗口值时增长放缓，更平稳、更积极地利用带宽，尤其在高带宽、高延迟（长肥网络）环境中表现优异。 其他算法 ：如TCP BBR（由Google提出），其思路迥异。它不再以丢包作为拥塞的主要信号，而是通过测量实际往返时间和交付速率来主动建立网络路径的模型（瓶颈带宽和最小RTT），并尽量使发送速率匹配瓶颈带宽，从而使排队延迟和丢包最小化。 总结与意义 TCP拥塞控制是互联网能够稳定、高效运行的关键基石。它通过端到端的机制，让数十亿台主机在无中心协调的情况下，能够自律地共享网络资源，体现了“互联网设计哲学”中的分布式智慧和端到端原则。从慢启动的谨慎探索，到拥塞避免的平稳逼近，再到快速恢复的弹性应对，以及现代算法对高性能的追求，其演进史本身就是一部互联网适应规模增长和需求变化的缩影。理解TCP拥塞控制，对于进行网络性能优化、设计分布式系统以及理解互联网整体行为都至关重要。