TCP流量控制与拥塞控制

概述

TCP流量控制（Flow Control）与拥塞控制（Congestion Control）是TCP协议中保证网络高效可靠传输的核心机制。

• **流量控制**：通过滑动窗口机制协调发送方与接收方的数据处理速度，避免接收方缓冲区溢出。
• **拥塞控制**：通过动态调整发送速率避免网络过载，包含慢启动、拥塞避免、快速重传等算法。

TCP流量控制

滑动窗口机制

接收方通过通告窗口（Advertised Window, RWND）告知发送方可接收的数据量。发送方根据RWND调整发送窗口大小。

sequenceDiagram participant Sender participant Receiver Sender->>Receiver: 发送数据（Seq=1, Len=100, RWND=300） Receiver-->>Sender: ACK=101, RWND=200（剩余缓冲区200字节） Sender->>Receiver: 发送数据（Seq=101, Len=200, RWND=200）

零窗口问题与持续计时器

若接收方缓冲区满（RWND=0），发送方暂停发送并启动持续计时器（Persist Timer），定期探测窗口状态。

  
# 模拟零窗口处理（伪代码）  
def handle_zero_window():  
    while receiver_window == 0:  
        start_persist_timer()  
        if timer_expired:  
            send_window_probe()  
            if ack_received and receiver_window > 0:  
                resume_transmission()

TCP拥塞控制

核心算法

1. **慢启动（Slow Start）**：窗口从1个MSS（最大报文段）开始，每RTT指数增长。 2. **拥塞避免（Congestion Avoidance）**：窗口超过慢启动阈值（ssthresh）后，每RTT线性增长。 3. **快速重传（Fast Retransmit）**：收到3个重复ACK时立即重传丢失报文。 4. **快速恢复（Fast Recovery）**：重传后直接进入拥塞避免阶段。

graph LR A[慢启动: CWND指数增长] -->|CWND ≥ ssthresh| B[拥塞避免: CWND线性增长] B -->|收到3个重复ACK| C[快速重传与恢复] C --> B B -->|超时| D[重置CWND=1, ssthresh=CWND/2] D --> A

数学模型

拥塞窗口（CWND）在慢启动阶段增长公式： $CWND=CWND+1\text{ per ACK}⟹CWND\approx 2^n\text{ per RTT}$

实际案例

视频流传输

当网络拥塞时，YouTube通过TCP拥塞控制动态降低视频码率，避免卡顿。例如： 1. 初始阶段快速提升传输速率（慢启动）。 2. 检测到丢包后，触发快速重传并降低发送速率（拥塞避免）。

代码示例：模拟拥塞控制

  
# 简化版拥塞控制模拟  
cwnd = 1  
ssthresh = 64  
in_fast_recovery = False  

def on_packet_loss():  
    global cwnd, ssthresh, in_fast_recovery  
    ssthresh = max(cwnd // 2, 1)  
    cwnd = 1 if not in_fast_recovery else ssthresh  
    in_fast_recovery = False  

def on_ack_received():  
    global cwnd, ssthresh  
    if cwnd < ssthresh:  
        cwnd *= 2  # 慢启动  
    else:  
        cwnd += 1   # 拥塞避免

常见问题

流量控制与拥塞控制的区别

对比表

特性	流量控制	拥塞控制
目标	防止接收方过载	防止网络过载
机制	滑动窗口（RWND）	拥塞窗口（CWND）
触发信号	接收方窗口通告	丢包或延迟增加

总结

TCP通过流量控制与拥塞控制的协同工作，实现了高效可靠的数据传输。理解这些机制有助于优化网络应用开发与调试。