[实际系统的TCP 拥塞控制技术剖析] 什么是拥塞控制

【关键词】TCP 拥塞控制慢启动拥塞避免

wireshark

近年来，随着因特网的迅猛发展，因特

网中的业务呈逐年上升趋势，如何有效地进行

流量控制和防止网络拥塞成为近年来关注的课

题。TCP 提供了面向连接的端到端的流传输,

可提供较为可靠的端到端传递服务，因而很多

要求可靠性较高的业务（如FTP, Telnet, HTTP

等）都是基于TCP 设计的。TCP 的主要目的

就是避免增加网络负担并且尽量使用网络资

源。

文/杨贝松

本文介绍拥塞的基本概念

以及产生原因，并详细分析了基

于TCP 拥塞控制的机制，通过

wireshark 抓包工具抓对TCP 拥

塞控制的过程与机制进行探讨。

摘要

拥塞现象是网络中存在过多的数据分组

时引起网络的性能下降。拥塞产生的根本原

因是网络资源需求超过其所能提供的最大上

限。由于网络结构的特殊性导致拥塞现象的不

可避免。在一般资源共享网络的情况下，多个

数据分组同时要求服务，并且想要通过同一个

服务端口发送数据，但必须按照先后的顺序进

行处理，这就出现了拥塞现象，当拥塞严重的

时候，网络的性能就会急剧下降，甚至造成拥

塞崩溃图1 说明了拥塞发生的情况。

2 拥塞发生的原因

拥塞发生的根本原因是网络处理能力和

资源容量小于用户带给网络的负载。其主要

表现有以下几个类型：丢弃概率增大、数据包

时延增加和上层应用系统性能明显下降等。网

络产生拥塞主要是由以下4 个方面引起的：

（1）带宽容量相对不足；

（2）队列容量相对不足；

（3）路由器的处理能力弱；

（4）网络流量分布不均衡。

3 基于TCP拥塞控制的分析

TCP 连接分为3 部分：建立连接、数据

传送和拆除连接，其中建立连接和拆除连接主

要是运用其3 次握手方式。而在数据传送中,

TCP 利用端到端的拥塞控制算法, 通过 TCP 提

供的确认信号判断网络状态, 通过滑动窗口协

议决定发送窗口的大小, 从而控制注入网络中

业务量的目的。

TCP 的拥塞控制主要是依赖于拥塞窗口

(cwnd) 以及对用于流量控制的对端通告的接收

窗口(rwnd)。TCP 拥塞控制算法是在两者之间

找到平衡点，选择拥塞窗口的最佳值，从而保

证网络吞吐量的最大化，并且不造成拥塞。

因为需要考虑拥塞控制和流量控制两个

图1：拥塞发生情况

网络天地 • Network World

36 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

方面的内容，所以TCP 的真正的发送窗口

=min(rwnd, cwnd)。然而由于网络环境对 rwnd

没有影响，因此考虑拥塞时只考虑cwnd 即可。

在TCP 中cwnd 的单位是字节， cwnd 增加1

即字节数增加1 个MSS 大小。

TCP 拥塞控制的概念是利用每个源了解

当前网络中可用容量，进而知道能够安全完

成传送的分组数。TCP 拥塞控制机制包括慢启

动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等。图2

主要是拥塞控制窗口在以上4 个阶段随时间的

变化情况。通过在终端适当的调整网络的拥

塞情况，从而最大程度提高网络传输性能，降

低拥塞发生的概率。

4 实际拥塞控制分析

通过wireshark 抓包工具抓包，访问

https://wiki.wireshark.org/CaptureSetup，不断

刷新网页，恰好观测到有三拍数据中存在三个

ack，源地址192.168.1.106 为本机IP 地址，目

的地址220.181.111.21 为网站IP 地址，如图3

所示。

访问网页时，TCP 在刚建立连接时使用

了慢启动，当新建连接时，cwnd 初始化为1

个最大报文段(MSS) 大小，发送端开始按照

拥塞窗口大小发送数据，每当有一个报文段被

确认，cwnd 就增加1 个MSS 大小；增大到一

定程度后开始拥塞避免策略，也就是cwnd 的

值不再指数级往上升，开始加法增加，慢慢的

增加调整到网络的最佳值。在出现图3 中连续

收到三个ack 时，进行快速重传，然后重新进

入拥塞避免阶段。

5 总结

随着Internet 的广泛应用, 网络的可靠性、

稳定性越来越依赖于TCP 拥塞控制, 对拥塞控

制的研究是非常具有价值的。由于拥塞控制的

复杂性, 存在着亟待解决的许多问题，特别是

缺乏在拥塞仿真模拟方面的研究。使得TCP

拥塞控制缺少实例支撑。

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作者简介

杨贝松（1989-），男，陕西省咸阳市人。主

要研究方向为嵌入式软件测试。

作者单位

工业和信息化部电子第五研究所广东省广州

市 510610

图2：TCP 拥塞控制算法示意图

图3：TCP 拥塞抓包实例