TCP 拥塞控制

核心定义

TCP 拥塞控制 是 TCP 通过动态调节发送速率来避免网络整体过载的一套机制，目标是让整个网络维持在可承受、可恢复、可持续的状态。

核心变量：cwnd（拥塞窗口）决定发送方在未收到确认前最多可发的数据量；ssthresh（慢开始门限）用于区分 慢开始阶段 与 拥塞避免阶段。

四个核心算法：慢开始（指数增长探测可用容量）、拥塞避免（线性增长稳定逼近上限）、快重传（收到三个重复 ACK 立即重传）、快恢复（重传后不回到慢开始而是适度降窗）。

拥塞控制 $\neq$ 流量控制：拥塞控制管的是网络整体负载，流量控制管的是接收方缓存，两者目的不同不能混淆。

慢开始阶段：每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 个 MSS，效果为每个 RTT 窗口近似翻倍（指数增长）。

拥塞避免阶段：每个 RTT 内 cwnd 近似增加 1 个 MSS（线性增长），平稳逼近网络容量。

触发信号分类：三个重复 ACK $\to$ 轻度拥塞 $\to$ 快重传 + 快恢复；超时 $\to$ 严重拥塞 $\to$ cwnd 降为 1 MSS，回到慢开始。

从工程角度，拥塞控制本质是试探式增速与拥塞反馈退让的平衡。

关键细节 / 操作步骤

1. 阶段判断：若 cwnd < ssthresh 则处于慢开始阶段；若 cwnd $\geq$ ssthresh 则进入拥塞避免阶段。
2. 慢开始增长规则：每收到一个 ACK，cwnd += 1 MSS（等效每 RTT 翻倍），常写作 $cwnd = cwnd \times 2$。
3. 拥塞避免增长规则：每收到一个 ACK，cwnd += $\frac{1}{cwnd}$ MSS（等效每 RTT 增加 1 MSS），常写作 $cwnd = cwnd + 1$。
4. 收到三个重复 ACK 时（快重传）：ssthresh = cwnd / 2，cwnd = ssthresh + 3 MSS，立即重传丢失报文，进入快恢复阶段。
5. 快恢复阶段：收到新 ACK 后，cwnd = ssthresh，转入拥塞避免继续线性增长。
6. 超时事件：ssthresh = cwnd / 2，cwnd = 1 MSS，回到慢开始从头指数增长。
7. 画窗口变化图时：先标注阈值点（ssthresh）、丢包点、恢复点，再填写各段增长方式（指数/线性/骤降）。
8. 若题目给窗口变化序列：按”增、降、恢复”三段识别所处阶段。
9. 若题目问”cwnd 和 rwnd 的关系”：实际发送窗口 = min(cwnd, rwnd)，rwnd 是接收方通告的流量控制窗口。
10. 若题目给事件序列求 cwnd：先分类事件类型（重复 ACK / 超时 / 正常），再套增长规则逐步计算。

⚠️ 易错辨析

• 流量控制 $\neq$ 拥塞控制：流量控制基于 rwnd 保护接收方缓存；拥塞控制基于 cwnd 保护网络整体。实际窗口 = min(cwnd, rwnd)。
• 三个重复 ACK $\neq$ 超时：重复 ACK 表示个别丢包（轻度拥塞），触发快重传；超时表示严重拥塞，cwnd 直接降到 1 MSS。两者处理方式完全不同。
• “窗口越大越好”是错误的：窗口过大导致网络排队加剧、丢包增多，反而降低吞吐。
• 达到 ssthresh 后仍指数增长是错误的，必须转入线性增长（拥塞避免）。这是常考错误选项。
• 快重传关注”尽快发现局部丢包”，快恢复关注”避免窗口回到过低水平”——两者配合使用，缺一不可。

💡 技巧与口诀

• 口诀：慢开始指数冲，拥塞避免线性行，三重复 ACK 快重传，超时回到慢开始。
• 看到”阈值前”先想 指数增长，看到”阈值后”先想 线性增长。
• 应用场景：窗口变化图题 $\to$ 先标关键点再填曲线；阶段判断题 $\to$ 看 cwnd 与 ssthresh 大小关系；丢包处理题 $\to$ 先区分信号类型再套规则。
• 与计网其他题相比，拥塞控制题更看重过程判断而不是复杂运算。

📝 真题闭环 题目：TCP 连接建立后 cwnd = 1 MSS，ssthresh = 16 MSS。假设无丢包，写出前 5 个 RTT 后 cwnd 的值。若第 5 个 RTT 后收到三个重复 ACK，cwnd 和 ssthresh 如何变化？

解题思路：

• 审题抓”cwnd 逐步增长 + 重复 ACK 处理”，切入点是慢开始指数增长规则。
• RTT 1：cwnd = 1 MSS（初始），cwnd < ssthresh，慢开始。
• RTT 2：cwnd = 2 MSS（翻倍）。
• RTT 3：cwnd = 4 MSS。
• RTT 4：cwnd = 8 MSS。
• RTT 5：cwnd = 16 MSS（= ssthresh，下一个 RTT 转入拥塞避免）。
• 收到三个重复 ACK：ssthresh = cwnd / 2 = 8 MSS，cwnd = ssthresh + 3 = 11 MSS（快重传），进入快恢复。
• 收到新 ACK 后：cwnd = ssthresh = 8 MSS，转入拥塞避免线性增长。

答案：5 个 RTT 后 cwnd = 16 MSS；收到三个重复 ACK 后 ssthresh = 8 MSS，cwnd = 11 MSS。