TCP慢启动算法与拥塞控制机制详解

1. 问题背景与核心目标

TCP需要解决的核心问题之一是如何在避免网络拥塞的同时，尽可能高效地利用带宽。若发送方直接以最大速率发送数据，可能瞬间压垮网络中的路由器或链路，导致大量丢包（拥塞崩溃）。因此，TCP通过慢启动（Slow Start） 和拥塞避免（Congestion Avoidance） 机制逐步探索可用带宽。

2. 核心概念：拥塞窗口（cwnd）

• 定义：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）。
• 作用：cwnd与接收方通告的窗口（rwnd）共同决定实际发送窗口大小（min(cwnd, rwnd)）。
• 初始值：早期TCP实现中cwnd初始为1 MSS（例如1460字节），现代TCP（如Linux）可能使用10 MSS。

3. 慢启动算法详解

3.1 触发场景

• 新连接建立时（如TCP三次握手后）。
• 连接空闲一段时间后（需通过机制判断网络状态变化）。
• 发生超时重传（TCP认为网络拥塞严重，需彻底重置发送速率）。

3.2 指数增长规则

1. 发送方每收到一个有效ACK（确认新数据），将cwnd增加1 MSS。
   • 例如：初始cwnd=1，发送报文段1后收到ACK，cwnd变为2，可连续发送2个报文段；若这两个报文段的ACK均到达，则每个ACK使cwnd+1，最终cwnd=4。
2. 实际效果：每个RTT（往返时间）内，cwnd翻倍（因为一个RTT内会收到约cwnd个ACK）。
   • 增长过程：1 → 2 → 4 → 8 → 16...

3.3 慢启动的“慢”与“启动”

• “慢”是相对于直接发送大量数据而言，但实际增长是指数级的，因此能快速逼近可用带宽。
• “启动”指从低速开始探索网络容量。

4. 慢启动的终止与拥塞避免切换

4.1 终止条件

1. 达到慢启动阈值（ssthresh）：
   • ssthresh是预设的窗口上限，初始值较大（如65 KB），但发生拥塞时会动态调整。
   • 当cwnd ≥ ssthresh时，进入拥塞避免阶段。
2. 发生拥塞指示：
   • 超时重传：发送方未收到ACK，触发重传定时器。TCP认为网络严重拥塞，直接重置：

     ssthresh = max(cwnd / 2, 2 MSS)  
     cwnd = 1 MSS  
     

     然后重新慢启动。
   • 重复ACK（如收到3个重复ACK）：触发快速重传，进入快速恢复阶段（详见后续步骤）。

4.2 拥塞避免阶段的线性增长

• 每收到一个ACK，cwnd增加 1/cwnd（即每个RTT增加1 MSS）。
• 例如：cwnd=10时，需10个ACK才能增加1 MSS，增长速率远低于慢启动。

5. 完整拥塞控制流程示例

假设初始参数：

cwnd = 1 MSS, ssthresh = 8 MSS  

1. 慢启动阶段：
   • RTT1：发送1个报文 → 收到ACK后cwnd=2
   • RTT2：发送2个报文 → 收到2个ACK后cwnd=4
   • RTT3：发送4个报文 → 收到4个ACK后cwnd=8（达到ssthresh）
2. 拥塞避免阶段：
   • RTT4：发送8个报文 → 收到8个ACK后cwnd=9（增加1/8 * 8 = 1 MSS）
   • RTT5：发送9个报文 → cwnd=10
3. 假设RTT6时发生3个重复ACK（轻微拥塞）：
   • 触发快速重传：

     ssthresh = cwnd / 2 = 5  
     cwnd = ssthresh + 3 MSS（快速恢复阶段）  
     

   • 重传丢失报文后，每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS，直到新数据被确认。

6. 为什么需要慢启动？

• 避免拥塞崩溃：缓慢起步防止突发流量冲击网络。
• 公平性：多个连接共享带宽时，慢启动使新连接逐步竞争资源，而非抢占已有连接的带宽。
• 自适应网络变化：通过ssthresh记录历史拥塞状态，动态调整探索速度。

7. 现代TCP的改进（如CUBIC）

• 传统TCP（Tahoe/Reno）在高速网络中收敛慢，CUBIC等算法使用三次函数替代线性增长，更高效利用高带宽链路。
• 但慢启动仍是所有TCP变体的基础阶段。

通过以上步骤，TCP慢启动在保证网络稳定性的前提下，实现了带宽的快速探索与拥塞的动态规避。