异常网络下TCP的可靠服务机制（慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复）-编程知识

TCP超时重传

tcp服务能够重传其超时时间内没有收到确认的TCP报文段，tcp模块为每一个报文段都维护一个重传定时器，定时器在第一次TCP报文段发送的时候启动，如果超时事件内没有收到回复。Tcp模块就会重传该报文段并重置定时器

至于下次重传的事件和最多的重传次数就是重传策略的选择。
liunx内核有两个重要的内核参数和tcp超时重传相关:
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1
/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2
前者指定了底层IP接管TCP最少执行的重传次数，默认3
后者指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数默认15（一般对应13 - 30min）
虽然超时会导致TCP报文段重传，但是tcp报文段的重传可以发生在超时之前，即快速重传。

拥塞控制

概述

拥塞控制的目的是

提高网络利用率
降低丢包率
保证网络资源对每条数据流的公平性

拥塞控制标准文档是RFC 5861 四个部分：

慢启动（slow start）
拥塞避免(congestion avoidance)
快速重传(fast retransmit)
快速恢复（fast recovery）
拥塞控制算法在liunx上有多种实现，比如reno算法，vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上面上述四个部分.
/proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control 文件指示机械当前所使用的拥塞控制算法

在发送端一次向网络中连续写入的数据量(收到其中第一个数据的确认之前) 我们称为SWND（Send Window 发送窗口）发送端最终以TCO的报文段来发送内容所以SWND限定了发送端能发送的TCP报文段的数量。
TCP报文段的最大长度(数据部分) 被称为SMSS(Sender MAximum Segment Size ，发送者最大段的大小) 其值一般等于MSS
MSS的值通常是由MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）减去IP首部长度（20字节）和TCP首部长度（20字节）得到的。因此，如果MTU值为1500字节，那么MSS的值一般就是1460字节）。
发送端需要合理的选择SWND的大小，如果SWND太小会引起明显的网络延迟反之如果太大则会导致网络拥塞。
接收方虽然可以通过RWND来控制发送端的SWND，但是显然不够
发送端引入了一个称为拥塞窗口的状态变量(CWND) 实际的SWND值是RWND和CWND里面的较小者
下图显示了拥塞控制的输入和输出

慢启动和拥塞避免

Tcp创建好连接后 CWND的值被初始化为IW(initial Window ) 其大小为2~4个SMSS。但新的Liunx内核提高了该值的初始化，以减少传输滞后。
发送端最多可以发送IW字节的数据，此后发送端没收到一个及手段的确认。其CWND就按格式增加

cwnd +=min(N,SMSS)
（读者在其他地方也可以看到了 cwnd是直接加上一个SMSS的值的 这个我不太清 查资料没查到 欢迎指正）

其中的N表示此次确认中包含之前未被确认的字节数。
这样CWND将会按指数的形式扩大，这就慢启动。
慢启动算法的理由是，TCP模块刚开始发送数据并不知道网络的实际情况，需要一种探测的方式平滑的增加CWND的小事。
如果不是家其他手段慢启动必然会使得 CWND很快膨胀最终导致网络拥塞。因此TCP拥塞控制汇总顶一个另一个重要的状态变量：
慢启动门限(ssthresh) 当CWND的大小超过该值的时。TCP拥塞控制将进入拥塞避免阶段。

拥塞避免算法是的CWND按照线性的方式增加从而减缓起扩大.RFC 5681中提到了如下两种实现方式:

每个RTT时间内按照格式从新计算新的CWND，不论RTT事件内收到了多少个确认
没收到一个新的数据确认报文段，就按照下面公式来更新CWND
CWND +=SMSS*SMSS/CWND

下图粗略描述了慢启动和拥塞避免发生的时机和区别。假设ssthresh的大小是16SMSS大小实际远不止这么大
在这里插入图片描述
以上是发送端在未检测到拥塞时所采取的积极避免拥塞的方法。
下面介绍拥塞发生时（可能在慢启动也可能在拥塞避免阶段）拥塞控制的行为。

下面讲解发送端如何判断拥塞发生。

传输超时，或者TCP重传定时器溢出
接受到重复的确认报文段
拥塞控制对第一种情况仍然使用慢启动和拥塞避免。
第二种情况使用快速重传和快速恢复（如果真的发生拥塞的话）。
第二种情况如果发生在第一种情况之后也就是重传定时器溢出，也会被拥塞控制当成第一种情况来对待。
如果发送端检测到拥塞发生是由于传输超时它就会执行重传并做出一下调整

其中FlightSize是已经发送但是没有收到确认的字节数。这样调整 CWMD将小于SMSS。必然也小于新的慢启动门限值ssthresh
拥塞控制一定会再次进入慢启动阶段

快速重传和快速恢复

有时发送端可能接收到重复的确认报文段，如TCP报文段丢失或者接收端收到乱序的TCP报文段并重排的时候，拥塞控制算法需要判断当收到重复确认的报文。网络是否真的拥塞或者TCP报文段是否真的丢失。
具体的做法是当发送端连续收到三个重复的确认报文段就认为是拥塞发生。就会启动快速重传和快速恢复算法来吃处理拥塞
过程如下：

当收到三个重复的确认报文的时候按照

来计算ssthresh，然后立刻重传丢失的报文段
并按照

来设置CWND
每次收到一个重复的确认的时候，设置CWND=CWND+SMSS。此时发送端可以发送新的TCP报文段。如果新的CWND允许的话
当收到新的数据确认的时候设置CWND = ssthresh（ssthresh是新的慢启动的门限值）由第一步计算得到
快速重传和快速恢复完成之后拥塞控制将恢复的拥塞避免阶段这一点由第3 步可以知道