TCP的慢启动（Slow Start）机制详解

描述
TCP的慢启动是拥塞控制的关键机制之一，用于在建立连接后逐步探索可用带宽，避免因突然发送大量数据导致网络拥塞。其核心思想是：通过指数级增长拥塞窗口（cwnd）来快速提升发送速率，同时通过拥塞事件（如丢包）动态调整窗口大小，实现网络效率与稳定性的平衡。

详细讲解

1. 拥塞窗口（cwnd）的作用

   • cwnd是发送方维护的一个状态变量，表示在不收到接收方确认（ACK）的情况下最多能发送的数据量（单位通常是MSS，即最大报文段大小）。
   • 初始值通常为1 MSS（例如1460字节），与接收窗口（rwnd）共同决定实际发送窗口：发送量 = min(cwnd, rwnd)。

2. 慢启动的触发条件

   • 当建立新连接（如三次握手完成后）或检测到网络超时（RTO超时）时，TCP会进入慢启动阶段。
   • 超时重传意味着网络拥塞严重，需将cwnd重置为1 MSS，重新开始慢启动。

3. 指数增长过程

   • 每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS。例如：
     • 初始cwnd=1，发送1个MSS后收到ACK，cwnd变为2（可发送2个MSS）。
     • 下次发送2个MSS，收到2个ACK后，cwnd增加2，变为4。
   • 实际效果是每个RTT（往返时间）内cwnd翻倍，实现快速探测带宽。

4. 慢启动阈值（ssthresh）的作用

   • ssthresh是慢启动与拥塞避免（Congestion Avoidance）的切换点。
   • 初始值通常较高（如接收窗口大小），超时后更新为当前cwnd的一半。
   • 当cwnd ≥ ssthresh时，转为线性增长的拥塞避免阶段。

5. 慢启动的终止条件

   • 正常终止：cwnd达到ssthresh，进入拥塞避免阶段（每RTT增加1 MSS）。
   • 异常终止：发生丢包事件（超时或收到重复ACK），触发重传并重置cwnd=1，ssthresh=cwnd/2。

6. 优化与变体

   • 快速重传与快速恢复：针对重复ACK的丢包，不重置cwnd到1，而是直接进入快速恢复阶段，减少性能波动。
   • 初始窗口调整：现代TCP（如Linux内核）允许初始cwnd=10 MSS，加速短连接传输。

总结
慢启动通过“指数探增+拥塞回调”机制，使TCP既能快速利用空闲带宽，又能及时响应网络拥塞。理解其与拥塞避免、快速恢复等机制的协同工作，是掌握TCP拥塞控制的关键。