拥塞控制

网络出现拥塞时，Segments 会被丢弃，导致 Sender 不断重传，雪上加霜。为了解决这个问题，TCP 引入了拥塞控制机制，它会在发现网络拥塞时，让 Sender 降低发送速率，避免恶性循环。

具体而言，当网络拥塞时，TCP Sender 会接收到一些反馈信息，例如；丢包报告、延迟报告等。然后 Sender 根据这些反馈信息来动态设定拥塞窗口（cwnd，congestion window），并以此为结果继续动态调整自己的发送速率。

可见，TCP 拥塞控制机制，是由 Sender 实现的针对网络拥塞状态的一种 “自适应” 机制。

拥塞窗口

拥塞窗口（cwnd）是一个动态参数，用于控制 TCP Sender 在发生网络拥塞时的发送速率。在引入 cwnd 之间，Sender 的 swnd（发送窗口）主要由 Receiver 的 rwnd（接收窗口）决定；在引入了 cwnd 之后，swnd 由 cwnd 和 rwnd 共同决定，即：swnd = min(cwnd, rwnd)。

cwnd 的数值是 TCP 拥塞控制机制的关键，其变化规律整体为：

网络顺畅时，cwnd 就是根据慢启动和拥塞避免算法逐渐增大，直到出现网络拥塞。
网络拥塞时，cwnd 就会根据快速快速重传和快速恢复算法迅速减少，而后在缓慢增大，周而复始。

1、慢启动算法

TCP 连接建立后，Sender 首先进入慢启动算法流程，即：逐步探测网络拥塞状况，逐步提高发包速率。

处理流程如下：

建立 TCP 连接后，初始化 cwnd = 1，表示一次可以发送 1 个 MSS（Maximum Segment Size）的数据。
当收到 1 个 ACK 后，cwnd += 1，表示一次可以发送 2 个 MSS。
当收到 2 个 ACK 后， cwnd += 2，表示一次可以发送 4 个 MSS。
当收到 4 个 ACK 后，cwnd += 4，表示一次可以发送 8 个 MSS。

慢启动过程中，Sender 指数性增长发送速率，当 cwnd 的数值 >= 慢启动阈值时（Slow Start Threshold），Sender 开始启用拥塞避免算法。

慢启动阈值也是一个动态参数，名为 ssthresh，通常为 65535Byte。

2、拥塞避免算法

拥塞避免（Congestion Avoidance）算法，经过慢启动流程后，进入拥塞避免阶段，算法会将 cwnd 的数值调整为线性增加，区别于慢启动算法时的线性增加，更缓慢一些，以更好地利用网络带宽。

拥塞避免算法的规则是，每当 Sender 收到一个 ACK 时，cwnd += 1/cwnd。

如下图，如果 ssthresh 为 8，那么当 Sender 收到 8 个 ACK 后，cwnd += 1/8，以此类推线性增加，Sender 速率逐步提升。

3、快速重传算法

在经历了慢启动和拥塞避免阶段后，在某个时刻，网络必然会到达拥塞的临界线，继而出现丢包的情况。此时，就会按照超时重传和快速重传的实现机制进行处理

若执行超时重传机制：Sender 则会将 ssthresh 设为 cwnd/2、cwnd 重置为 1。然后再次回到慢启动流程，就重新开始慢启动。但显然的，这种方式最为激进，瞬间关小水管，会造成网络卡顿。
若执行快速重传机制：Sender 则会将 ssthresh 设置为 cwnd、cwnd 则设置 cwnd/2 。

4、快恢复算法

如上图，当 Sender 执行快速重传后，就会进入快恢复流程，区别于超时重传算法导致的重回慢启动流程。

快速恢复算法过程中：

cwnd = ssthresh + 3，这个 3，正式快速重传的触发条件，3 个相同的 ACK。
快速重传某个丢失的数据包。
- 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd += 1；
- 如果收到新数据的 ACK，那么 cwnd = ssthresh。
回到拥塞避免算法。

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