TCP的拥塞控制算法中的BIC（Binary Increase Congestion）与CUBIC算法详解

字数 3354 2025-12-12 00:55:03

TCP的拥塞控制算法中的BIC（Binary Increase Congestion）与CUBIC算法详解

这是一个关于TCP拥塞控制演进中，从基于丢包的传统算法（如Reno、NewReno）发展到更高效、更适应高速、长距离网络的算法的重要知识点。它探讨了算法设计思想从线性增长转向更智能的“凹”与“凸”增长曲线的过程。

知识点描述

BIC（Binary Increase Congestion）和CUBIC是其继承者和更广泛应用的改进版本，是现代Linux等操作系统内核中默认的TCP拥塞控制算法。它们旨在解决传统AIMD（加法增大/乘法减小）算法在高速、高带宽延迟积网络中收敛速度慢、带宽利用率低的问题。

核心问题在于：传统算法（如Reno）在检测到丢包时，会将拥塞窗口（cwnd）减半，然后进入线性增长的拥塞避免阶段。在BDP（带宽时延积）很大的网络中（如跨洋光纤），窗口减半后需要很长时间的线性增长才能再次“填满”网络管道，导致带宽利用率低下。BIC和CUBIC试图通过更智能的窗口增长函数来加速这一恢复过程，同时保持公平性和稳定性。

详细讲解过程

第一步：理解背景与目标（传统AIMD的瓶颈）

想象一条连接旧金山和伦敦的高速网络路径，往返时间（RTT）为150ms，带宽为1Gbps。其BDP约为18.75 MB（1 Gbps * 0.15 s / 8）。假设cwnd在丢包前达到了这个BDP值，即约15000个MSS（假设MSS=1460字节）。

发生丢包：传统算法（如Reno）执行“乘法减小”，cwnd减半至约7500个MSS。
线性恢复：随后进入拥塞避免阶段，每个RTT只将cwnd增加1个MSS。要将cwnd从7500增长回15000，需要增加7500个MSS。
恢复时间：这需要7500个RTT！即7500 * 0.15s = 1125秒（接近19分钟）。在这漫长的恢复期内，链路带宽被严重浪费。

目标：设计一个新算法，在减半后能更快地增长cwnd，逼近之前的“最大cwnd”（我们称之为 W_max），同时在接近W_max时增长放缓，避免激进增长导致新的丢包。

第二步：BIC（Binary Increase Congestion）算法核心思想

BIC的核心是使用二分搜索的思想来快速、平滑地找到一个新的平衡点（即网络能承载的可用带宽）。

记录状态：当发生丢包时，BIC记录丢包前的cwnd值，作为 W_max。
减半窗口：像传统算法一样，将cwnd减半，得到一个新的最小值，记为 W_min。即 W_min = β * W_max（β通常为0.5）。
二分搜索阶段：
- 目标是从当前窗口 W_min 快速、平滑地增长到 W_max。
- BIC不是线性增长，而是设定一系列“目标窗口”。第一个目标窗口是 W_min 和 W_max 的中点：target = (W_min + W_max) / 2。
- 增加阶段：在未达到当前目标窗口前，cwnd采取指数级增长（实际上是指数递增的加法增大），快速接近目标。增长步长随着cwnd接近目标而减小。
- 达到目标：当cwnd达到当前目标窗口后，就将这个目标窗口设为新的 W_min，并以新的 W_min 和 W_max 的中点作为下一个目标。
- 这个过程不断重复，cwnd就像在以“二分搜索”的方式逐步逼近 W_max。
收敛与平稳阶段：
- 当 (W_max - W_min) 小于一个预设的阈值 S_min（例如2个MSS）时，BIC认为已经非常接近 W_max，算法进入平稳增长阶段，转为更温和的线性增长（类似传统拥塞避免），直到再次发生丢包，记录新的 W_max。

BIC的优缺点：

优点：在高BDP网络中，能比线性增长更快地“恢复”到高带宽利用率状态。
缺点：增长函数在窗口较小时依然不够快（尤其是在刚启动时）；其窗口增长曲线在对数-线性坐标下是多条直线段组成的折线，不够平滑；与其他流（如Reno流）竞争时，有时过于激进。

第三步：CUBIC（CU-BIC）算法的演进与创新

CUBIC是BIC的改进和重设计。它保留了BIC快速收敛到W_max并平稳操作的核心思想，但做出了两个根本性改变：

将窗口增长函数从依赖RTT的二分搜索，改为一个独立于RTT的三次函数。
将W_max作为函数的中心点，而不是搜索的终点。

CUBIC的核心——三次函数：
CUBIC的拥塞窗口大小（cwnd）直接由以下三次函数计算：
W(t) = C * (t - K)^3 + W_max
其中：

W(t)：从上次丢包开始，经过时间 t 后的目标窗口大小。
C：一个缩放常数，控制增长曲线的陡峭程度。
t：从上次窗口减少后经过的时间。
K：一个关键参数，计算公式为 K = 立方根( (W_max * β) / C )。它代表了函数从凹（增长加速）转为凸（增长减速）的拐点时间。
W_max：上次发生丢包时的窗口大小。

CUBIC的工作流程详解：

丢包与减半：检测到丢包时，记录当前cwnd为新的 W_max，然后将cwnd减小为 β * W_max（β通常为0.7或0.8，比传统0.5更温和）。
三次函数增长：
- 重置计时器 t=0。
- 在每一个ACK到达时（或每一个很小的时间粒度），CUBIC并不直接按ACK数量增加cwnd，而是根据流逝的时间t，计算三次函数的目标值W(t)，然后让cwnd平滑地朝这个目标值调整。
- 凹区域（t < K）：在K时间点之前，函数是凹的，增长率 (dW/dt) 逐渐增加。这模拟了BIC的快速搜索阶段，允许cwnd在减半后快速恢复。
- 凸区域（t > K）：在K时间点之后，函数是凸的，增长率 逐渐减小。当cwnd接近或超过原来的W_max时，增长会变得非常缓慢，平稳地探测W_max之上是否有新的可用带宽。
独立于RTT：这是CUBIC的关键优势。因为增长由绝对时间t驱动，而不是由RTT数量驱动。这意味着无论是RTT=1ms的局域网流，还是RTT=200ms的广域网流，只要从丢包开始经历了相同的时间，它们的cwnd增长就是相同的。这极大地提升了RTT公平性，避免了长RTT流被短RTT流“饿死”的问题。
TCP友好区域：当cwnd远小于W_max时（例如在连接启动阶段），CUBIC会退回到类似标准TCP的慢启动和拥塞避免模式（窗口随ACK线性增长），以确保与传统的Reno、NewReno流共存时的友好性。

第四步：对比与总结

特性	BIC	CUBIC
增长核心	基于二分搜索的思想，通过设定“目标窗口”进行快速逼近。	基于三次函数 `W(t) = C*(t-K)^3 + W_max`，由绝对时间驱动增长。
RTT公平性	较差。增长依赖于ACK（即RTT），短RTT流增长更快。	优秀。增长独立于RTT，不同RTT的流在相同时间内增长相同，实现更好的公平性。
增长曲线	在对数坐标下呈折线。	平滑的三次曲线（凹->凸）。
主要优势	首次提出快速、智能地恢复并平稳探测带宽的思想。	在BIC思想基础上，通过时间驱动和三次函数，实现了更好的RTT公平性、平滑性和可扩展性。
现状	是CUBIC的思想先驱，现已较少直接使用。	Linux内核默认的TCP拥塞控制算法，被广泛应用于互联网，是应对高速长肥网络的事实标准。

结论： BIC和CUBIC代表了TCP拥塞控制从简单的、反应式的线性控制，向更智能的、基于模型的非线性控制演进的重要一步。CUBIC通过其时间驱动的三次增长函数，优雅地平衡了收敛速度、稳定性、公平性和带宽利用率，成为现代数据中心和广域网中TCP性能的基石之一。

TCP的拥塞控制算法中的BIC（Binary Increase Congestion）与CUBIC算法详解这是一个关于TCP拥塞控制演进中，从基于丢包的传统算法（如Reno、NewReno）发展到更高效、更适应高速、长距离网络的算法的重要知识点。它探讨了算法设计思想从线性增长转向更智能的“凹”与“凸”增长曲线的过程。知识点描述 BIC（Binary Increase Congestion）和CUBIC是其继承者和更广泛应用的改进版本，是现代Linux等操作系统内核中默认的TCP拥塞控制算法。它们旨在解决传统AIMD（加法增大/乘法减小）算法在高速、高带宽延迟积网络中收敛速度慢、带宽利用率低的问题。核心问题在于：传统算法（如Reno）在检测到丢包时，会将拥塞窗口（cwnd）减半，然后进入线性增长的拥塞避免阶段。在BDP（带宽时延积）很大的网络中（如跨洋光纤），窗口减半后需要很长时间的线性增长才能再次“填满”网络管道，导致带宽利用率低下。BIC和CUBIC试图通过更智能的窗口增长函数来加速这一恢复过程，同时保持公平性和稳定性。详细讲解过程第一步：理解背景与目标（传统AIMD的瓶颈）想象一条连接旧金山和伦敦的高速网络路径，往返时间（RTT）为150ms，带宽为1Gbps。其BDP约为18.75 MB（1 Gbps * 0.15 s / 8）。假设cwnd在丢包前达到了这个BDP值，即约15000个MSS（假设MSS=1460字节）。发生丢包：传统算法（如Reno）执行“乘法减小”，cwnd减半至约7500个MSS。线性恢复：随后进入拥塞避免阶段，每个RTT只将cwnd增加1个MSS。要将cwnd从7500增长回15000，需要增加7500个MSS。恢复时间：这需要7500个RTT！即7500 * 0.15s = 1125秒（接近19分钟）。在这漫长的恢复期内，链路带宽被严重浪费。目标：设计一个新算法，在减半后能更快地增长cwnd，逼近之前的“最大cwnd”（我们称之为 W_max ），同时在接近 W_max 时增长放缓，避免激进增长导致新的丢包。第二步：BIC（Binary Increase Congestion）算法核心思想 BIC的核心是使用二分搜索的思想来快速、平滑地找到一个新的平衡点（即网络能承载的可用带宽）。记录状态：当发生丢包时，BIC记录丢包前的cwnd值，作为 W_max 。减半窗口：像传统算法一样，将cwnd减半，得到一个新的最小值，记为 W_min 。即 W_min = β * W_max （β通常为0.5）。二分搜索阶段：目标是从当前窗口 W_min 快速、平滑地增长到 W_max 。 BIC不是线性增长，而是设定一系列“目标窗口”。第一个目标窗口是 W_min 和 W_max 的中点： target = (W_min + W_max) / 2 。增加阶段：在未达到当前目标窗口前，cwnd采取指数级增长（实际上是指数递增的加法增大），快速接近目标。增长步长随着cwnd接近目标而减小。达到目标：当cwnd达到当前目标窗口后，就将这个目标窗口设为新的 W_min ，并以新的 W_min 和 W_max 的中点作为下一个目标。这个过程不断重复，cwnd就像在以“二分搜索”的方式逐步逼近 W_max 。收敛与平稳阶段：当 (W_max - W_min) 小于一个预设的阈值 S_min （例如2个MSS）时，BIC认为已经非常接近 W_max ，算法进入平稳增长阶段，转为更温和的线性增长（类似传统拥塞避免），直到再次发生丢包，记录新的 W_max 。 BIC的优缺点：优点：在高BDP网络中，能比线性增长更快地“恢复”到高带宽利用率状态。缺点：增长函数在窗口较小时依然不够快（尤其是在刚启动时）；其窗口增长曲线在对数-线性坐标下是多条直线段组成的折线，不够平滑；与其他流（如Reno流）竞争时，有时过于激进。第三步：CUBIC（CU-BIC）算法的演进与创新 CUBIC是BIC的改进和重设计。它保留了BIC快速收敛到 W_max 并平稳操作的核心思想，但做出了两个根本性改变：将窗口增长函数从依赖RTT的二分搜索，改为一个独立于RTT的三次函数。将 W_max 作为函数的中心点，而不是搜索的终点。 CUBIC的核心——三次函数： CUBIC的拥塞窗口大小（cwnd）直接由以下三次函数计算： W(t) = C * (t - K)^3 + W_max 其中： W(t) ：从上次丢包开始，经过时间 t 后的目标窗口大小。 C ：一个缩放常数，控制增长曲线的陡峭程度。 t ：从上次窗口减少后经过的时间。 K ：一个关键参数，计算公式为 K = 立方根( (W_max * β) / C ) 。它代表了函数从凹（增长加速）转为凸（增长减速）的拐点时间。 W_max ：上次发生丢包时的窗口大小。 CUBIC的工作流程详解：丢包与减半：检测到丢包时，记录当前cwnd为新的 W_max ，然后将cwnd减小为 β * W_max （β通常为0.7或0.8，比传统0.5更温和）。三次函数增长：重置计时器 t=0 。在每一个ACK到达时（或每一个很小的时间粒度），CUBIC并不直接按ACK数量增加cwnd，而是根据流逝的时间 t ，计算三次函数的目标值 W(t) ，然后让cwnd平滑地朝这个目标值调整。凹区域（t < K）：在K时间点之前，函数是凹的，增长率 ( dW/dt ) 逐渐增加。这模拟了BIC的快速搜索阶段，允许cwnd在减半后快速恢复。凸区域（t > K）：在K时间点之后，函数是凸的，增长率逐渐减小。当cwnd接近或超过原来的 W_max 时，增长会变得非常缓慢，平稳地探测 W_max 之上是否有新的可用带宽。独立于RTT ：这是CUBIC的关键优势。因为增长由绝对时间 t 驱动，而不是由 RTT数量驱动。这意味着无论是RTT=1ms的局域网流，还是RTT=200ms的广域网流，只要从丢包开始经历了相同的时间，它们的cwnd增长就是相同的。这极大地提升了RTT公平性，避免了长RTT流被短RTT流“饿死”的问题。 TCP友好区域：当cwnd远小于 W_max 时（例如在连接启动阶段），CUBIC会退回到类似标准TCP的慢启动和拥塞避免模式（窗口随ACK线性增长），以确保与传统的Reno、NewReno流共存时的友好性。第四步：对比与总结 | 特性 | BIC | CUBIC | | :--- | :--- | :--- | | 增长核心 | 基于二分搜索的思想，通过设定“目标窗口”进行快速逼近。 | 基于三次函数 W(t) = C*(t-K)^3 + W_max ，由绝对时间驱动增长。 | | RTT公平性 | 较差。增长依赖于ACK（即RTT），短RTT流增长更快。 | 优秀。增长独立于RTT，不同RTT的流在相同时间内增长相同，实现更好的公平性。 | | 增长曲线 | 在对数坐标下呈折线。 | 平滑的三次曲线（凹->凸）。 | | 主要优势 | 首次提出快速、智能地恢复并平稳探测带宽的思想。 | 在BIC思想基础上，通过时间驱动和三次函数，实现了更好的RTT公平性、平滑性和可扩展性。 | | 现状 | 是CUBIC的思想先驱，现已较少直接使用。 | Linux内核默认的TCP拥塞控制算法，被广泛应用于互联网，是应对高速长肥网络的事实标准。 | 结论： BIC和CUBIC代表了TCP拥塞控制从简单的、反应式的线性控制，向更智能的、基于模型的非线性控制演进的重要一步。CUBIC通过其时间驱动的三次增长函数，优雅地平衡了收敛速度、稳定性、公平性和带宽利用率，成为现代数据中心和广域网中TCP性能的基石之一。