TCP拥塞窗口是什么

1. 拥塞窗口如何工作？

拥塞窗口的大小并非固定不变，而是根据网络的实时状况动态调整。其基本调节原则是：

• 网络通畅时：如果没有检测到拥塞（即能够按时收到确认 ACK），就增大 cwnd，以提高数据发送速率和网络利用率。
• 网络拥塞时：如果检测到拥塞（通常表现为数据包丢失），就减小 cwnd，以降低数据发送速率，缓解网络压力。

TCP 通过一套复杂的算法来管理 cwnd 的变化，这套算法通常包括四个主要阶段：慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快速重传（Fast Retransmit）和快速恢复（Fast Recovery）。

2. 拥塞窗口的四个控制阶段

这四个阶段共同协作，精细地调节 cwnd 的大小。

2.1 慢启动 (Slow Start)

当 TCP 连接刚建立时，发送方对网络状况一无所知。为了避免一开始就发送大量数据包导致网络瘫痪，它会采用一种保守的探测方式，这个阶段就是“慢启动”。

• 初始值：连接建立之初，cwnd 被初始化为一个较小的值，通常是 1 个 MSS（Maximum Segment Size，最大报文段大小）。
• 指数增长：每当发送方收到一个对新数据的 ACK 确认时，cwnd 就会增加一个 MSS。实际效果是，每经过一个往返时间（RTT），cwnd 的大小就会翻倍（指数级增长）。
• “慢”的误解：慢启动的“慢”指的是初始窗口小，而非增长速度慢。实际上，它的指数增长速度非常快。

2.2 拥塞避免 (Congestion Avoidance)

指数增长不能无限持续，否则很快会占满网络带宽并导致拥塞。为此，需要一个状态变量叫做慢启动阈值（ssthresh）。

• 进入条件：当 cwnd 的大小增长到 ssthresh 时，慢启动阶段结束，进入拥塞避免阶段。
• 线性增长：进入拥塞避免阶段后，cwnd 的增长方式变得更加缓和。不再是指数增长，而是每经过一个 RTT，cwnd 只增加一个 MSS 的大小（加法增大）。这种线性增长的方式可以更温和地探测可用带宽。

2.3 拥塞发生时的处理

当网络中发生数据包丢失时，TCP 会将其视为网络拥塞的信号，并立即采取措施减小 cwnd。丢包的判断主要有两种方式：

• 超时重传 (Timeout Retransmission)：这是网络拥塞的强烈信号。如果发送方在等待一个 ACK 时发生超时，TCP 会认为网络状况非常糟糕。

  • ssthresh 会减为当前 cwnd 的一半。
  • cwnd 会骤降至初始值 1 个 MSS。
  • 发送方重新进入慢启动阶段。

• 快速重传 (Fast Retransmit)：这是相对较弱的拥塞信号。当发送方连续收到三个或以上相同的（重复的）ACK 时，它会认为这个 ACK 对应的序列号之后的数据包很可能丢失了，但网络并未完全瘫痪，因为后续的数据包还能到达接收方。

  • 发送方不等超时计时器结束，立即重传丢失的数据包。
  • 这触发了快速恢复阶段。

2.4 快速恢复 (Fast Recovery)

快速重传触发后，TCP 认为没有必要像超时重传那样 drastic 地将 cwnd 降为 1，因为连续的重复 ACK 表明网络中仍有数据在正常传输。

• 乘法减小：ssthresh 和 cwnd 都会被设置为当前 cwnd 值的一半（乘法减小），而不是直接降为 1。
• 避免慢启动：之后，TCP 不会进入慢启动阶段，而是直接开始拥塞避免阶段的线性增长。 有些实现中，在收到重复 ACK 时还会临时性地增加 cwnd，以发送新的数据包，尽快填补网络管道。