TCP的AIMD（加法增大乘法减小）算法详解

一、AIMD算法的基本概念
AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）是TCP拥塞控制的核心算法之一，用于动态调整发送方的拥塞窗口（cwnd）大小。其核心思想是：

• 加法增大（Additive Increase）：在网络未检测到拥塞时，每经过一个RTT（往返时间），cwnd线性增加1个MSS（最大报文段长度），缓慢探测可用带宽。
• 乘法减小（Multiplicative Decrease）：当检测到拥塞（如超时重传或收到重复ACK）时，立即将cwnd减半（乘以0.5），快速缓解网络拥塞。

二、AIMD的详细工作流程

1. 初始阶段：

   • 连接建立后，cwnd初始化为1个MSS（慢启动阶段实际使用指数增长，但AIMD特指拥塞避免阶段的行为）。
   • 当cwnd达到慢启动阈值（ssthresh）后，进入拥塞避免阶段，启动AIMD算法。

2. 加法增大过程：

   • 发送方每收到一个新的ACK（非重复ACK），表明数据包成功到达接收方且网络通畅。
   • 此时cwnd的更新规则为：
     cwnd = cwnd + 1/cwnd（以字节为单位时）
     或更直观的：每收到1个ACK，cwnd增加1/cwnd个MSS（例如cwnd=10时，每ACK增加0.1个MSS）。
   • 效果：经过1个RTT内所有ACK后，cwnd总共增加1个MSS（因为1个RTT内会收到cwnd个ACK）。例如：
     • 当前cwnd=10 MSS，每ACK增加0.1 MSS，收到10个ACK后增加1 MSS，最终cwnd=11 MSS。

3. 乘法减小过程：

   • 触发条件：
     • 收到3个重复ACK（快速重传机制）：说明部分数据包丢失，但网络仍有流动性。
     • 发生超时重传：说明网络拥塞严重，连ACK都无法返回。
   • 操作步骤：
     • 将ssthresh更新为当前cwnd的一半：ssthresh = max(cwnd/2, 2 MSS)。
     • 若是超时重传，cwnd直接重置为1 MSS（进入慢启动）；若是快速重传，cwnd设为ssthresh+3 MSS（进入快速恢复，后接拥塞避免）。

三、AIMD的公平性证明
AIMD的经典之处在于其公平性。假设多个TCP连接共享同一瓶颈链路：

1. 收敛到公平：
   • 当多个连接同时使用AIMD时，若某个连接占用过多带宽，其遇到拥塞的概率更高，会频繁触发“乘法减小”，从而让出带宽。
   • 经过多次增减周期后，所有连接的cwnd会趋于相等（公平带宽分配）。
2. 效率与稳定性：
   • 加法增大避免激进占用带宽，乘法减小确保拥塞快速缓解，使网络总吞吐量保持在接近瓶颈带宽的水平。

四、实例演示
假设TCP连接初始cwnd=10 MSS，ssthresh=16 MSS（已进入拥塞避免阶段）：

1. 正常传输：
   • RTT1：发送10个报文，收到10个ACK后，cwnd=11 MSS。
   • RTT2：发送11个报文，收到11个ACK后，cwnd=12 MSS。
   • 持续线性增长至cwnd=20 MSS。
2. 发生拥塞：
   • 假设cwnd=20时收到3个重复ACK，触发快速重传。
   • 执行乘法减小：ssthresh = 20/2 = 10 MSS，cwnd = ssthresh + 3 = 13 MSS。
   • 进入快速恢复重传丢失包，之后回到拥塞避免阶段，从cwnd=10 MSS重新开始加法增大。

五、AIMD的局限性及改进

1. 对高带宽延迟积（BDP）网络响应慢：
   • 线性增长导致需要多个RTT才能充分利用高速网络带宽（如1Gbps链路需数千RTT）。
   • 改进：HighSpeed TCP、CUBIC等算法优化了增长函数。
2. 对非TCP流不公平：
   • UDP等无拥塞控制的流会挤占TCP带宽。
   • 解决方案：网络层设备采用AQM（主动队列管理）如RED（随机早期检测）。

通过以上步骤，AIMD以简单而优雅的方式实现了拥塞控制的核心目标：公平性、效率与稳定性。