TCP的拥塞控制算法中的PRR（Proportional Rate Reduction）机制详解
字数 3767 2025-12-10 09:53:00

TCP的拥塞控制算法中的PRR（Proportional Rate Reduction）机制详解

一、 问题/知识点描述
PRR是一种在TCP快速恢复阶段，用于精确控制数据发送速率，以更快、更平稳地从丢包中恢复的算法。它于2011年被提出，并被集成到Linux内核的TCP实现中，旨在替代传统快速恢复中较为粗糙的速率控制方法。

核心问题：传统的快速恢复算法（如Reno、NewReno）在收到部分ACK（例如，触发快速重传的3个重复ACK）后，会将拥塞窗口（cwnd）减半，并进入恢复阶段。在这个阶段，发送端每收到一个ACK，就可以发送新数据。这可能导致发送速率突然下降后又突然飙升（因为cwnd减半但实际可发送量可能瞬时较多），造成发送“突发”（burst），加剧网络拥塞或导致不必要的丢包。PRR的目标是让发送速率在恢复阶段平滑地、按比例地降低到新的、减半后的cwnd值，并保持在这个水平，直到恢复结束。

二、 循序渐进的讲解

步骤1：场景设定与基础回顾

  1. 假设TCP连接正在正常传输，其cwnd（拥塞窗口）为20个报文段（MSS），ssthresh（慢启动阈值）为15。
  2. 发生了一个数据包丢失。接收端因为后续数据包的到达，会发送重复的ACK（Dup-ACK）。
  3. 发送端收到第3个Dup-ACK，触发快速重传。此时，按照经典算法（如NewReno）：
    • ssthresh更新为：ssthresh = max(在外数据包数 (FlightSize) / 2, 2)。假设FlightSize为20，则ssthresh = 10。
    • cwnd更新为：cwnd = ssthresh + 3（因为收到了3个Dup-ACK，相当于“信用”）。所以cwnd = 13。
    • 进入快速恢复阶段。

步骤2：传统快速恢复的发送行为（作为对比）
在快速恢复阶段，传统算法（如NewReno）的发送规则是：每收到一个ACK（无论是重复ACK还是新数据的ACK），就可以发送一个新数据包。

  • 问题：当cwnd从20骤降到13后，但FlightSize（在外数据包数）可能因为重传和新发送而迅速变化。这个规则可能导致发送端在恢复初期，因为收到多个Dup-ACK，连续发送多个数据包，形成一个小的“突发流”。虽然cwnd限制了总量，但发送节奏不均匀。

步骤3：PRR算法的核心思想
PRR的核心是：在快速恢复阶段，发送的数据总量应被精确控制，使得在恢复过程结束时，在外数据包数（FlightSize）恰好等于新的、减半后的拥塞窗口（ssthresh）。并且，这个发送过程应该是按比例均匀分布的。

  • 目标：prr_delivered（进入恢复阶段后成功递送的数据量）与prr_out（进入恢复阶段后发送的数据量）保持一个恒定的比例，直到恢复完成。
  • 公式核心：它定义了在恢复期间，每确认一个旧数据包，允许发送多少新数据包。

步骤4：PRR算法的两个模式与关键变量
PRR定义了两个模式：PRR=SS（慢启动风格）和PRR=CRB（保守速率削减）。模式的选择基于一个关键变量：recover。

  1. 变量初始化（当触发快速重传，进入恢复阶段时）：

    • prr_delivered = 0 （进入恢复后，累计确认交付的字节数）
    • prr_out = 0 （进入恢复后，累计发送的字节数）
    • ssthresh = 当前计算的新的慢启动阈值（如步骤1中的10）
    • pipe = 当前估算的在外数据包数（一个动态值，每发送+1，每确认-1）。
    • recover = snd.nxt (下一个要发送的序列号)。这是恢复阶段的“终点”标志。所有序列号小于recover的数据，都属于这次恢复要处理的范围。

  2. 模式选择（在每次决定能否发送数据时）：

    • 计算 prr_delivered 自恢复开始以来的增量。
    • 如果当前snd.nxt（下一个要发送的序列号） < recover，说明我们还在重传或发送“旧”的、在恢复范围内的数据。此时使用 PRR=SS模式。
    • 如果当前snd.nxt >= recover，说明所有旧数据都已重传或发送完毕，开始发送全新的数据。此时使用 PRR=CRB模式。通常PRR=CRB允许更保守的发送速率。

步骤5：PRR发送量计算（核心算法）
每当一个数据包被确认（ACK到达），算法计算本次可以发送多少数据：

  1. 更新 prr_delivered：增加刚被确认的字节数。
  2. 计算允许发送量：
    • PRR=SS模式（慢启动风格）：
      • limit = prr_delivered * ssthresh / RecoverFS - prr_out
      • 其中RecoverFS是进入恢复瞬间的FlightSize（例子中的20）。
      • 这个公式确保发送总量prr_out与交付总量prr_delivered的比例为 ssthresh/RecoverFS（例子中是10/20=0.5）。即每交付2个字节，只允许发送1个新字节，从而平滑地将管道中的数据量从20削减到10。
    • PRR=CRB模式（保守速率削减）：
      • limit = (prr_delivered - prr_out) 加上一些微调。
      • 这个模式更严格，基本保证prr_out不会超过prr_delivered太多，确保恢复后FlightSize稳定在ssthresh附近，不会增长。
  3. 发送决策：计算出的limit表示当前允许发送的字节数“信用”。只有当limit > 0且当前pipe（估算在途数据）小于cwnd（注意，在PRR中，cwnd在恢复阶段通常被冻结为ssthresh，不用于直接限制发送，而是作为pipe的上界）时，才能发送新数据包。

步骤6：结合示例说明流程
接步骤1：cwnd_new = ssthresh = 10, RecoverFS = 20。

  • 时刻T0（进入恢复）：prr_delivered=0, prr_out=0, pipe≈20, snd.nxt指向丢失的包（序列号X）。recover设为当前snd.nxt。
  • 时刻T1（收到一个Dup-ACK，确认了序列号X-1的包）：
    • prr_delivered增加1个MSS。
    • 模式：snd.nxt (X) < recover -> PRR=SS。
    • limit = 1 * 10 / 20 - 0 = 0.5。由于不能发送半个包，通常实现会累积信用。假设信用足够发1个包。
    • 此时，发送端重传丢失的包X（重传优先于发送新数据）。prr_out增加1，pipe不变（因为重传替代了发送）。
  • 时刻T2（收到新ACK，确认了刚重传的包X以及后续一些包，假设总共确认了5个MSS）：
    • prr_delivered增加5。
    • 模式：可能仍在PRR=SS。
    • limit = (0+1+5) * 10 / 20 - 1 = 6*0.5 -1 = 3 -1 = 2。现在有2个包的发送信用。
    • pipe因为确认了5个包而减少5，假设现在pipe=15。cwnd是10，但pipe > cwnd是允许的，这是恢复阶段的特点。只要pipe < cwnd + 信用之类的条件（具体看实现），且有信用，就可以发送。
    • 发送端可以发送2个新数据包（序列号在recover之后）。prr_out再增加2，pipe增加2变为17。
  • 持续过程：随着ACK陆续到达，prr_delivered增长，limit被持续计算。PRR=SS模式保证了总发送量prr_out大约是总交付量prr_delivered的一半。最终，当所有旧数据（序列号<recover）都被确认后，prr_delivered将等于RecoverFS（20）。此时，prr_out将被限制在20 * 10/20 = 10左右。同时，pipe也将逐渐下降到接近新的ssthresh（10）。
  • 恢复结束：当收到大于等于recover的ACK（即所有旧数据确认完毕），TCP退出快速恢复阶段，将cwnd设置为min(ssthresh, FlightSize + 1)等，进入拥塞避免阶段。此时发送速率已经平稳地过渡到了新的、减半后的窗口水平。

三、 总结与意义

  • PRR的目标：实现快速恢复阶段发送速率的平滑、按比例削减，避免突发流量。
  • 核心机制：通过追踪进入恢复后的交付量(prr_delivered)和发送量(prr_out)，并强制它们保持(ssthresh / 原始FlightSize)的比例（在PRR=SS模式下），来精确控制发送节奏。
  • 效果：相比传统方法，PRR能减少恢复期间的包突发（burst），降低因突发导致的额外丢包或队列堆积风险，从而提升网络稳定性和整体吞吐量。它是对TCP快速恢复阶段发送引擎的一个重要优化。
TCP的拥塞控制算法中的PRR（Proportional Rate Reduction）机制详解 一、 问题/知识点描述 PRR是一种在TCP快速恢复阶段，用于精确控制数据发送速率，以更快、更平稳地从丢包中恢复的算法。它于2011年被提出，并被集成到Linux内核的TCP实现中，旨在替代传统快速恢复中较为粗糙的速率控制方法。 核心问题 ：传统的快速恢复算法（如Reno、NewReno）在收到部分ACK（例如，触发快速重传的3个重复ACK）后，会将拥塞窗口（cwnd）减半，并进入恢复阶段。在这个阶段，发送端每收到一个ACK，就可以发送新数据。这可能导致发送速率突然下降后又突然飙升（因为cwnd减半但实际可发送量可能瞬时较多），造成发送“突发”（burst），加剧网络拥塞或导致不必要的丢包。PRR的目标是让发送速率在恢复阶段 平滑地、按比例地 降低到新的、减半后的cwnd值，并保持在这个水平，直到恢复结束。 二、 循序渐进的讲解 步骤1：场景设定与基础回顾 假设TCP连接正在正常传输，其 cwnd （拥塞窗口）为20个报文段（MSS）， ssthresh （慢启动阈值）为15。 发生了一个数据包丢失。接收端因为后续数据包的到达，会发送重复的ACK（Dup-ACK）。 发送端收到第3个Dup-ACK，触发 快速重传 。此时，按照经典算法（如NewReno）： ssthresh 更新为： ssthresh = max(在外数据包数 (FlightSize) / 2, 2) 。假设 FlightSize 为20，则 ssthresh = 10 。 cwnd 更新为： cwnd = ssthresh + 3 （因为收到了3个Dup-ACK，相当于“信用”）。所以 cwnd = 13 。 进入 快速恢复 阶段。 步骤2：传统快速恢复的发送行为（作为对比） 在快速恢复阶段，传统算法（如NewReno）的发送规则是： 每收到一个ACK（无论是重复ACK还是新数据的ACK），就可以发送一个新数据包 。 问题 ：当 cwnd 从20骤降到13后，但 FlightSize （在外数据包数）可能因为重传和新发送而迅速变化。这个规则可能导致发送端在恢复初期，因为收到多个Dup-ACK，连续发送多个数据包，形成一个小的“突发流”。虽然 cwnd 限制了总量，但发送节奏不均匀。 步骤3：PRR算法的核心思想 PRR的核心是： 在快速恢复阶段，发送的数据总量应被精确控制，使得在恢复过程结束时，在外数据包数（ FlightSize ）恰好等于新的、减半后的拥塞窗口（ ssthresh ） 。并且，这个发送过程应该是 按比例均匀分布 的。 目标 ： prr_delivered （进入恢复阶段后成功递送的数据量）与 prr_out （进入恢复阶段后发送的数据量）保持一个恒定的比例，直到恢复完成。 公式核心 ：它定义了在恢复期间， 每确认一个旧数据包，允许发送多少新数据包 。 步骤4：PRR算法的两个模式与关键变量 PRR定义了两个模式：PRR=SS（慢启动风格）和PRR=CRB（保守速率削减）。模式的选择基于一个关键变量： recover 。 变量初始化 （当触发快速重传，进入恢复阶段时）： prr_delivered = 0 （进入恢复后，累计确认交付的字节数） prr_out = 0 （进入恢复后，累计发送的字节数） ssthresh = 当前计算的新的慢启动阈值（如步骤1中的10） pipe = 当前估算的在外数据包数（一个动态值，每发送+1，每确认-1）。 recover = snd.nxt (下一个要发送的序列号) 。这是恢复阶段的“终点”标志。所有序列号小于 recover 的数据，都属于这次恢复要处理的范围。 模式选择 （在每次决定能否发送数据时）： 计算 prr_delivered 自恢复开始以来的增量。 如果当前 snd.nxt （下一个要发送的序列号） < recover ，说明我们还在重传或发送“旧”的、在恢复范围内的数据。此时使用 PRR=SS 模式。 如果当前 snd.nxt >= recover ，说明所有旧数据都已重传或发送完毕，开始发送全新的数据。此时使用 PRR=CRB 模式。通常PRR=CRB允许更保守的发送速率。 步骤5：PRR发送量计算（核心算法） 每当一个数据包被确认（ACK到达），算法计算本次可以发送多少数据： 更新 prr_delivered ：增加刚被确认的字节数。 计算允许发送量 ： PRR=SS模式（慢启动风格） ： limit = prr_delivered * ssthresh / RecoverFS - prr_out 其中 RecoverFS 是进入恢复瞬间的 FlightSize （例子中的20）。 这个公式确保发送总量 prr_out 与交付总量 prr_delivered 的比例为 ssthresh/RecoverFS （例子中是10/20=0.5）。即 每交付2个字节，只允许发送1个新字节 ，从而平滑地将管道中的数据量从20削减到10。 PRR=CRB模式（保守速率削减） ： limit = (prr_delivered - prr_out) 加上一些微调。 这个模式更严格，基本保证 prr_out 不会超过 prr_delivered 太多，确保恢复后 FlightSize 稳定在 ssthresh 附近，不会增长。 发送决策 ：计算出的 limit 表示当前允许发送的字节数“信用”。只有当 limit > 0 且当前 pipe （估算在途数据）小于 cwnd （注意，在PRR中， cwnd 在恢复阶段通常被冻结为 ssthresh ，不用于直接限制发送，而是作为 pipe 的上界）时，才能发送新数据包。 步骤6：结合示例说明流程 接步骤1： cwnd_new = ssthresh = 10 , RecoverFS = 20 。 时刻T0（进入恢复） ： prr_delivered=0 , prr_out=0 , pipe≈20 , snd.nxt 指向丢失的包（序列号X）。 recover 设为当前 snd.nxt 。 时刻T1（收到一个Dup-ACK，确认了序列号X-1的包） ： prr_delivered 增加1个MSS。 模式： snd.nxt (X) < recover -> PRR=SS。 limit = 1 * 10 / 20 - 0 = 0.5 。由于不能发送半个包，通常实现会累积信用。假设信用足够发1个包。 此时，发送端 重传 丢失的包X（重传优先于发送新数据）。 prr_out 增加1， pipe 不变（因为重传替代了发送）。 时刻T2（收到新ACK，确认了刚重传的包X以及后续一些包，假设总共确认了5个MSS） ： prr_delivered 增加5。 模式：可能仍在PRR=SS。 limit = (0+1+5) * 10 / 20 - 1 = 6*0.5 -1 = 3 -1 = 2 。现在有2个包的发送信用。 pipe 因为确认了5个包而减少5，假设现在 pipe=15 。 cwnd 是10，但 pipe > cwnd 是允许的，这是恢复阶段的特点。只要 pipe < cwnd + 信用 之类的条件（具体看实现），且有信用，就可以发送。 发送端可以发送2个新数据包（序列号在 recover 之后）。 prr_out 再增加2， pipe 增加2变为17。 持续过程 ：随着ACK陆续到达， prr_delivered 增长， limit 被持续计算。PRR=SS模式保证了总发送量 prr_out 大约是总交付量 prr_delivered 的一半。最终，当所有旧数据（序列号< recover ）都被确认后， prr_delivered 将等于 RecoverFS （20）。此时， prr_out 将被限制在 20 * 10/20 = 10 左右。同时， pipe 也将逐渐下降到接近新的 ssthresh （10）。 恢复结束 ：当收到大于等于 recover 的ACK（即所有旧数据确认完毕），TCP退出快速恢复阶段，将 cwnd 设置为 min(ssthresh, FlightSize + 1) 等，进入拥塞避免阶段。此时发送速率已经平稳地过渡到了新的、减半后的窗口水平。 三、 总结与意义 PRR的目标 ：实现快速恢复阶段发送速率的 平滑、按比例削减 ，避免突发流量。 核心机制 ：通过追踪进入恢复后的交付量( prr_delivered )和发送量( prr_out )，并强制它们保持 (ssthresh / 原始FlightSize) 的比例（在PRR=SS模式下），来精确控制发送节奏。 效果 ：相比传统方法，PRR能减少恢复期间的包突发（burst），降低因突发导致的额外丢包或队列堆积风险，从而提升网络稳定性和整体吞吐量。它是对TCP快速恢复阶段 发送引擎 的一个重要优化。