讲解 TCP 拥塞控制中的慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复，以及窗口变化过程。

# 拥塞控制

拥塞是指网络中注入的分组过多，超过网络处理能力，导致排队时延增大、丢包增加、吞吐量下降。

TCP 拥塞控制解决的是 不要把网络压垮；流量控制解决的是 不要把接收方压垮。

发送方实际可发送窗口：

$$W = \min(rwnd, cwnd)$$

# 拥塞窗口与慢开始门限

TCP 拥塞控制主要使用两个变量：

MSS（Maximum Segment Size）表示一个 TCP 报文段中数据部分的最大长度。拥塞窗口常以 MSS 为单位描述。

# 慢开始

慢开始并不是真的慢，而是从小窗口开始指数增长。

规则：

• 初始 cwnd 较小。
• 每收到一个 ACK， cwnd 增加。
• 每经过一个 RTT， cwnd 大约翻倍。
• 当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免。

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xychart-beta
    title "慢开始：拥塞窗口指数增长"
    x-axis "RTT" [1, 2, 3, 4]
    y-axis "cwnd(MSS)" 0 --> 16
    line [1, 2, 4, 8]

记忆：

1

慢开始：1, 2, 4, 8, ...

# 拥塞避免

拥塞避免阶段采用线性增长，避免窗口继续指数膨胀。

规则：

• 每经过一个 RTT， cwnd 大约增加 1 MSS。
• 增长方式从指数变为线性。

1

拥塞避免：8, 9, 10, 11, ...

# 拥塞判断

TCP 通常把丢包视为网络拥塞信号。

两种典型情况：

# 超时后的处理

发生超时后，TCP 认为拥塞较严重。

典型处理：

1. ssthresh = cwnd / 2 。
2. cwnd = 1 MSS 。
3. 重新进入慢开始。

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flowchart LR
    A[cwnd 增长] --> B[发生超时]
    B --> C[ssthresh = cwnd/2]
    C --> D[cwnd = 1 MSS]
    D --> E[慢开始]

# 快速重传

快速重传利用重复 ACK 发现丢包，而不必等待超时。

过程：

1. 接收方收到乱序报文段时，重复确认缺失报文段的下一个期望序号。
2. 发送方连续收到 3 个重复 ACK。
3. 发送方立即重传缺失报文段。

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sequenceDiagram
    participant S as 发送方
    participant R as 接收方
    S->>R: Segment 1
    S->>R: Segment 2 丢失
    S->>R: Segment 3
    R-->>S: ACK 2
    S->>R: Segment 4
    R-->>S: ACK 2
    S->>R: Segment 5
    R-->>S: ACK 2
    Note over S: 收到 3 个重复 ACK，快速重传 Segment 2
    S->>R: Segment 2

# 快速恢复

快速恢复通常与快速重传配合。收到 3 个重复 ACK 时，TCP 认为网络仍能传递后续报文段，因此不必像超时那样把 cwnd 降到 1。

典型处理：

1. ssthresh = cwnd / 2 。
2. cwnd = ssthresh 或按具体算法临时调整。
3. 进入拥塞避免。

考研中常用简化版本：

• 超时： cwnd 回到 1，慢开始。
• 三个重复 ACK： ssthresh 减半，快速重传，进入拥塞避免。

# TCP Tahoe 与 Reno

教材或题目可能涉及两种经典算法：

若题目未特别说明，通常按教材给定规则作答。

# 拥塞控制曲线题

解题步骤：

1. 找指数增长段：慢开始。
2. 找线性增长段：拥塞避免。
3. 窗口突然降到 1：多半是超时。
4. 窗口降为约一半：多半是 3 个重复 ACK。
5. ssthresh 通常设为拥塞发生时窗口的一半。

示例：

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cwnd: 1, 2, 4, 8, 16, 17, 18, 19, timeout

若超时时 cwnd = 19 ，则：

1
2

ssthresh = 19 / 2
cwnd = 1

实际做题通常取整数，按题目要求取上整、下整或直接写一半。

# 本节考点

1. 流量控制看接收方，拥塞控制看网络。
2. 实际发送窗口为 $\min(rwnd, cwnd)$。
3. 慢开始指数增长，拥塞避免线性增长。
4. 超时表示拥塞较严重，通常令 ssthresh = cwnd/2 ， cwnd = 1 。
5. 三个重复 ACK 触发快速重传，通常不必等超时。
6. 快速恢复避免把窗口直接降到 1。
7. 拥塞控制图像题要根据窗口增长和下降方式判断事件类型。