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流量控制 Flow Control

流量控制的目的是控制发送端的发送速度，使其按照接收端的数据处理速度来发送数据，避免接收端处理不过来，产生网络拥塞或丢包。

TCP 实现流量控制的关键是滑动窗口（Sliding Window）。发送端和接收端均有一个滑动窗口，对应一个缓冲区，记录当前发送或接收到的数据。接收端会在返回的 ACK 报文中包含自己可用于接收数据的缓冲区的大小，在 TCP 的报文首部里用 window 表示（或者叫 AdvertisedWindow，16 bit，最多 65535 字节）。发送端发送的数据不会超过 window 的大小。

为了说明 window 字段是如何计算出来的，首先看一下发送端和接收端的滑动窗口示意图：

图片来源

对于发送端来说：

  • LastByteAcked 指向被接收端 ACK 的最后一个位置
  • LastByteSent 指向已发送但还未收到 ACK 的最后一个位置
  • LastByteWritten 指向上层应用写入但还未发送的最后一个位置

对于接收端来说：

  • LastByteRead 指向 TCP 缓冲区中读到的位置
  • NextByteExpected 指向收到的连续包的最后一个位置
  • LastByteRcvd 指向收到的包的最后一个位置

因此，接收端返回给发送端的 ACK 报文中的 window 字段等于：

\[AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer – LastByteRcvd – 1\]

即只能在收到的包的最后一个位置之后继续接收。尽管 NextByteExpected 和 LastByteRcvd 中间还有一段数据空白区，但这些数据可能发送端已经发送，只是还未到达接收端，因此不能将这段空白区大小计入 window。

发送端在收到这个 ACK 报文后，下一个报文的大小是：

\[Size=AdvertisedWindow-(LastByteSent-LastByteRcvd)\]

这就是用滑动窗口进行流量控制的基本原理。

零窗口

如果接收端处理过慢，那么 window 可能变为 0，这种情况下发送端就不再发送数据了。如何在接收端 window 可用的时候通知发送端呢？

TCP 使用来 ZWP（Zero Window Probe，零窗口探针）技术。具体是在发送端引入一个计时器，每当收到一个零窗口的应答后就启动该计时器。每间隔一段时间就主动发送报文，由接收端来 ACK 窗口大小。若接收者持续返回零窗口（一般是 3 次），则有的 TCP 实现会发送 RST 断开连接。

Nagle 算法

如果接收端处理过慢，每次 window 只能接收几个字节，那么当发送端每次都发送这几个字节时，会有大量带宽浪费在 TCP 和 IP 的首部上。因此 Nagle 提出了 Nagle 算法。Nagle 算法的工作方式是「缓存/累积」要发送的小数据，直到 window >= MSS 时再一并发送，避免对小的 window 作出响应。

MSS：Max Segment Size，TCP 报文段一次可传输的最大分段大小

发送端如何调节发送速率

发送端的发送速率受到多个因素的影响：

  • 接收端将自己的可接收大小通过 window 字段发送给发送端，发送端据此作出调整（流量控制）
  • 当发送端监测到网络出现拥塞时，通过各种协同工作的机制来解决拥塞（拥塞控制），通过一个状态变量 cwnd 控制发送速率

发送端的发送速度是上述两个变量的较小值。

拥塞控制

当等待接收端的 ACK 超时、或者收到乱序包时，说明网络出现了拥塞。TCP 通过各种协同工作的机制来解决网络拥塞。

发送端维持一个叫做拥塞窗口 cwnd（congestion window）的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。下面用报文段个数作为 cwnd 的值进行说明，实际的 cwnd 是以字节为单位的。

慢启动

  • 连接建立时，初始化 cwnd = 1，表示可以传一个 MSS 大小的数据
  • 每收到一个 ACK 包，cwnd++
  • 每经过一个 RTT，cwnd 会翻倍（指数增长）

当 cwnd >= ssthresh (slow start threshold) 时，进入拥塞避免阶段。

拥塞避免

  • 每收到一个 ACK 包，cwnd = cwnd + 1/cwnd
  • 每经过一个 RTT，cwnd = cwnd + 1（加性增）

超时重传

如果发送端超时还未收到 ACK 包，就可以认为网络出现了拥塞，需要解决拥塞：

  1. 把 sshthresh 设为当前拥塞窗口的一半（乘性减）
  2. cwnd 重置为 1，重新开始慢启动过程

快速重传 / 快速恢复

快速重传：接收端收到乱序包时，会发送 duplicate ACK 通知发送端。当发送端收到 3 个 duplicate ACK 时，就立刻开始重传，而不必继续等待到计时器超时。快速重传会配合快速恢复算法：

  1. 把 sshthresh 设为当前拥塞窗口的一半（乘性减）
  2. cwnd 重置为 sshthresh，重新开始拥塞避免过程

为什么快速重传不需要像超时重传那样，将 cwnd 重置为 1 重新开始慢启动呢？因为它认为如果网络出现拥塞的话，是不会收到好几个重复的 ACK 的，所以现在网络可能没有出现拥塞。

总结

流量控制是接收端控制的，拥塞避免是发送端控制的。最终都是控制发送端的发送速率。

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