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前言

为了应对网络拥塞，TCP协议采用了一系列的拥塞控制机制，通过动态调整数据传输速率和避免过度加载网络来保持网络性能。然而，拥塞控制不仅仅是一个网络层面的问题，它与流量控制密切相关，并且在实际应用中面临许多挑战。本章将详细讲解TCP拥塞控制的产生以及原理。

1 拥塞的产生与影响

1.1 拥塞产生的原因

网络拥塞（congestion）是指当网络中的资源需求超过其可提供的能力时，网络性能明显下降，吞吐量随负荷增大而下降，严重时可能导致系统崩溃。

网络拥塞通常由以下几种因素引起：

• 节点缓存容量太小：路由器和交换机的缓存空间不足，导致数据包丢失。
• 链路容量不足：网络链路的带宽不能满足传输需求，造成数据排队。
• 处理机处理速率太慢：路由器的处理能力无法跟上数据流的处理速度。
• 拥塞自身加剧：当网络发生拥塞时，会引发更多的丢包、重传等问题，进一步加剧网络的拥塞。

【拥塞窗口cwnd的维护原则】
只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就会增大；但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就会减少。

【判断出现网络拥塞的依据】
没有按时收到应当到达的确认报文（即发生超时重传）。

网络拥塞的存在不仅会导致数据包丢失、传输延迟增大，还可能引发系统崩溃，影响整体网络的稳定性和吞吐量。

1.2 拥塞控制的挑战

增加资源如增加缓存或提高链路速率可能看似解决了拥塞问题，但往往并非根本解决方案。

例如：

• 增大缓存：虽然可以暂时解决缓存溢出问题，但若没有提高链路和处理机的能力，可能会引发更多的重传，反而加剧网络拥塞。
• 提高处理机速率：可能导致网络瓶颈转移，未必能有效缓解拥塞。

因此，拥塞控制的设计和实施是一项复杂且动态的任务，无法通过简单的资源增加来完全解决。

2 拥塞控制与流量控制的区别

特性	拥塞控制	流量控制
目标	控制网络拥塞，防止网络过载	控制发送方的发送速率，避免接收方缓冲区溢出
调节对象	网络的可用资源，如带宽、路由器缓存	接收方的缓冲区大小
主要机制	根据网络负载情况动态调整窗口大小	根据接收方通知的窗口大小来调整发送速率
反馈方式	通过丢包、重传等网络状态反馈	通过接收方的窗口大小反馈

拥塞控制与流量控制的不同在于，前者关注网络层面的负载管理，而后者则侧重于应用和传输层之间的流量管理。

拥塞控制是确保网络稳定的关键，而流量控制则关注发送方和接收方之间的传输效率。

3 TCP 拥塞控制的原理

TCP采用滑动窗口机制实现拥塞控制，利用动态调整拥塞窗口（cwnd）来适应网络的负载状况。

拥塞窗口的大小决定了发送方能够发送的最大数据量，它依据网络的拥塞情况动态变化。

3.1 拥塞控制的基本原理

TCP 的拥塞控制原理基于以下几个原则：

• 动态调整窗口大小：根据网络的拥塞状况，动态增大或减小拥塞窗口。
• 隐式反馈机制：通过数据包丢失、超时重传等现象来间接反映网络的拥塞状态，发送方据此调整发送速率。
• 避免过度注入数据：当网络处于拥塞状态时，发送方减少数据发送量，从而缓解网络压力。

3.2 开环控制与闭环控制

①开环控制
开环控制是一种预防性的策略。
在网络设计阶段，就尽可能地考虑到所有可能导致网络拥塞的因素，并在设计中避免这些情况的发生。
例如，在规划网络拓扑结构、分配带宽资源时，就进行合理的设计。但是，一旦网络开始运行，这种控制方式就不会再根据网络的实际运行情况进行调整了。

②闭环控制
闭环控制依赖于反馈机制。它会不断地监测网络的当前运行状态（例如，监测网络中的流量、延迟、丢包率等指标），当发现网络出现拥塞（例如，流量过大、延迟过高、丢包严重等情况）时，就会采取相应的控制措施来消除拥塞。

【闭环控制措施】

控制类型	特点	思路
开环控制	在设计网络时，事先考虑周全，力求工作时不发生拥塞；但一旦整个系统运行起来，就不再中途进行改正了	力争避免发生拥塞
闭环控制	基于反馈环路的概念，根据网络当前运行状态采取相应控制措施	在发生拥塞后，采取措施进行控制，消除拥塞

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