iOS面试题:聊一聊 TCP 的拥塞控制相关过程?

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iOS猿_员
2019.01.30 15:28* 字数 1259

原文:iOS面试题大全

TCP 的拥塞控制主要是四个算法:1)慢启动;2)拥塞避免;3)拥塞发生;4)快速恢复。

整个拥塞控制的过程大致如下图所示:

慢启动算法

慢启动的算法如下(cwnd 全称 Congestion Window):

  • 1)连接建好的开始先初始化 cwnd = 1,表明可以传一个 MSS(Max Segment Size)大小的数据。
  • 2)每当收到一个 ACK,cwnd++; 呈线性上升。
  • 3)每当过了一个 RTT,cwnd = cwnd*2; 呈指数上升。
  • 4)还有一个 ssthresh(slow start threshold),是一个上限,当 cwnd >= ssthresh 时,就会进入「拥塞避免算法」。

所以,我们可以看到,如果网速很快的话,ACK 也会返回得快,RTT 也会短,那么,这个慢启动就一点也不慢。

拥塞避免算法

前面说过,还有一个 ssthresh(slow start threshold),是一个上限,当 cwnd >= ssthresh 时,就会进入拥塞避免算法。一般来说 ssthresh 的值是 65535 字节,当 cwnd 达到这个值时后,算法如下:

  • 1)收到一个 ACK 时,cwnd = cwnd + 1/cwnd
  • 2)当每过一个 RTT 时,cwnd = cwnd + 1

这样就可以避免增长过快导致网络拥塞,慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显,是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法

当丢包的时候,会有两种情况:

  • 1)等到 RTO 超时,重传数据包。TCP 认为这种情况太糟糕,反应也很强烈。
    • sshthresh = cwnd/2
    • cwnd 重置为 1。
    • 进入慢启动过程。
  • 2)快速重传(Fast Retransmit)算法,也就是在收到 3 个 duplicate ACK 时就开启重传,而不用等到 RTO 超时。
    • TCP Tahoe 的实现和 RTO 超时一样。
    • TCP Reno的实现是:
      • cwnd = cwnd/2
      • sshthresh = cwnd
      • 进入快速恢复算法(Fast Recovery)。

上面我们可以看到 RTO 超时后,sshthresh 会变成 cwnd 的一半,这意味着,如果 cwnd<=sshthresh 时出现的丢包,那么 TCP 的 sshthresh 就会减了一半,然后等 cwnd 又很快地以指数级增涨爬到这个地方时,就会成慢慢的线性增涨。我们可以看到,TCP 是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

快速恢复算法

TCP Reno 这个算法定义在 RFC5681。快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法是认为,你还有 3 个 Duplicated Acks 说明网络也不那么糟糕,所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。注意,正如前面所说,进入 Fast Recovery 之前,cwnd 和 sshthresh 已被更新:

  • cwnd = cwnd /2
  • sshthresh = cwnd

然后,真正的 Fast Recovery 算法如下:

  • cwnd = sshthresh + 3 * MSS (3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了)。
  • 重传 Duplicated ACKs 指定的数据包。
  • 如果再收到 duplicated ACKs,那么 cwnd = cwnd + 1
  • 如果收到了新的 ACK,那么 cwnd = sshthresh,然后就进入了拥塞避免的算法了。

如果你仔细思考一下上面的这个算法,你就会知道,上面这个算法也有问题,那就是它依赖于 3 个重复的 ACKs。注意,3 个重复的 ACKs 并不代表只丢了一个数据包,很有可能是丢了好多包。但这个算法只会重传一个,而剩下的那些包只能等到 RTO 超时。于是,进入了恶梦模式:超时一个窗口就减半一下。多个超时会超成 TCP 的传输速度呈级数下降,而且也不会触发 Fast Recovery 算法了。

1995 年,TCP New Reno(参见 RFC 6582 )算法提出来,主要就是在没有 SACK 的支持下改进 Fast Recovery 算法:

  • 当 sender 这边收到了 3 个 Duplicated ACKs,进入 Fast Retransimit 模式,开发重传重复 ACKs 指示的那个包。如果只有这一个包丢了,那么,重传这个包后回来的 ACK 会把整个已经被 sender 传输出去的数据 ACK 回来。如果没有的话,说明有多个包丢了。我们叫这个 ACK 为 Partial ACK。
  • 一旦 Sender 这边发现了 Partial ACK 出现,那么,sender 就可以推理出来有多个包被丢了,于是乎继续重传 sliding window 里未被 ack 的第一个包。直到再也收不到了 Partial ACK,才真正结束 Fast Recovery 这个过程。

这个 Fast Recovery 的变更是一个非常激进的玩法,他同时延长了 Fast Retransmit 和 Fast Recovery 的过程。

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