TCP的拥塞避免（Congestion Avoidance）机制详解

1. 问题背景

在TCP的拥塞控制中，拥塞避免（Congestion Avoidance）是继慢启动（Slow Start）后的核心阶段。其目标是平稳逼近网络瓶颈带宽，避免因过度发送数据导致网络拥塞。与慢启动的指数增长不同，拥塞避免采用线性增长策略，动态调整拥塞窗口（cwnd）的大小。

2. 核心机制：从慢启动到拥塞避免

（1）慢启动的局限性

• 慢启动阶段：cwnd从初始值（如1 MSS）开始，每收到一个ACK就增加1 MSS（指数增长）。
• 问题：若持续指数增长，cwnd会迅速超过网络容量，引发大量丢包。

（2）切换至拥塞避免的时机

• 阈值（ssthresh）：当cwnd ≥ ssthresh时，从慢启动切换为拥塞避免。
• 丢包事件：发生超时重传或收到重复ACK（触发快速重传）时，会重置ssthresh并进入拥塞避免。

3. 拥塞避免的具体规则

（1）线性增长原理

• 每经过一个RTT（往返时间），cwnd增加1 MSS（而非慢启动的“每ACK增加1 MSS”）。
• 等效实现：每收到一个ACK，cwnd增加 \(\frac{1}{cwnd}\) MSS（即每个RTT累计增加1 MSS）。
  公式：

\[ \text{cwnd} = \text{cwnd} + \frac{1}{\text{cwnd}} \quad (\text{单位：MSS}) \]

（2）示例演算（假设当前cwnd=10 MSS）

• 收到第1个ACK：cwnd = 10 + 1/10 = 10.1 MSS
• 收到第2个ACK：cwnd = 10.1 + 1/10.1 ≈ 10.2 MSS
• ... 直到收到10个ACK后，cwnd ≈ 11 MSS（完成一个RTT的增长）。

4. 拥塞避免与丢包响应的交互

（1）遇到丢包时的行为

• 超时重传（Timeout）：

  • 认为网络拥塞严重，直接重置 ssthresh = max(cwnd/2, 2 MSS)
  • cwnd降为1 MSS，重新进入慢启动。

• 快速重传（3个重复ACK）：

  • 触发快速恢复（Fast Recovery），ssthresh = cwnd/2
  • cwnd = ssthresh + 3 MSS（因重复ACK代表数据已离开网络）
  • 进入拥塞避免阶段（线性增长）。

（2）完整流程示意图

慢启动（指数增长） → cwnd ≥ ssthresh → 拥塞避免（线性增长）  
                              ↓  
                        检测到丢包  
                              ↓  
       超时重传：cwnd=1, 慢启动  或   重复ACK：快速恢复 → 拥塞避免  

5. 为什么拥塞避免是“加法增大”？

• 目标：在接近网络容量时，通过线性增长缓慢试探可用带宽。
• 优势：避免像慢启动那样激进，减少连续丢包风险。
• 比喻：像缓慢拧开水龙头，直到水流刚好满而不溢（拥塞）。

6. 实际应用中的调整（如Linux TCP）

• 现代TCP算法（如Cubic）改进了线性增长，但核心逻辑仍保留拥塞避免的思想。
• 通过AIMD（加法增大、乘法减小） 平衡效率与公平性：
  • 加法增大：拥塞避免阶段线性增加cwnd
  • 乘法减小：丢包时ssthresh减半

7. 总结

拥塞避免是TCP在稳定阶段的核心策略，通过线性增长使发送速率平滑接近网络瓶颈，与慢启动、快速重传/恢复共同构成拥塞控制的闭环。其设计体现了“谨慎试探”的哲学，确保网络高吞吐与低拥塞的平衡。