《TCP 拥塞控制详解(1)：慢开始、拥塞避免、快重传与快恢复》

TCP 拥塞控制详解：慢开始、拥塞避免、快重传与快恢复

本篇笔记仅讲解概念，实例分析放在下一篇笔记中

一、什么是 TCP 拥塞控制？

1. 拥塞控制的背景

在 TCP 通信过程中，发送方会不断向网络发送数据。如果发送速度过快，超过了网络中路由器、交换机等设备的处理能力，就可能导致网络中的数据包大量堆积

当网络设备的缓存空间被占满时，后续到达的数据包可能被丢弃，从而产生丢包、重传和延迟增加等问题

这种网络负载超过网络处理能力的现象，称为网络拥塞(Network Congestion)

例如：

发送方 A 网络设备 接收方 B
| | |
|—— 数据包 1 ——->|————————>|
|—— 数据包 2 ——->|————————>|
|—— 数据包 3 ——->| |
|—— 数据包 4 ——->| 缓存逐渐堆积 |
|—— 数据包 5 ——->| 缓存空间不足 |
| | 数据包丢失 |
| | |
|<———————– ACK / 确认信息 ———–|

如果发送方不考虑网络的承载能力，继续高速发送数据，就可能加剧网络拥塞。

因此，TCP 需要根据网络状况动态调整数据发送速度，这就是拥塞控制（Congestion Control）

2. 拥塞控制的核心思想

拥塞控制的核心思想是：

根据网络的拥塞程度动态调整发送方的拥塞窗口，控制发送数据的速度，避免网络出现严重拥塞。

TCP 主要通过四种算法实现拥塞控制：

这四种算法并不是彼此独立的，而是协同工作，共同调节 TCP 的数据发送行为。

二、拥塞控制中的重要概念

在理解四种算法之前，需要先掌握三个重要概念。

1. 拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）

拥塞窗口是发送方根据当前网络拥塞情况维护的一个窗口大小。

它反映了发送方认为当前网络能够承受的未确认数据量。

• 网络状况较好：可以适当增大拥塞窗口，提高发送速度。

• 网络出现拥塞：需要减小拥塞窗口，降低发送速度。

注意：cwnd 是发送方维护的，不是接收方维护的。

2. 接收窗口（Receive Window，rwnd）

接收窗口是接收方根据自身接收缓存情况通告给发送方的窗口大小。

它主要用于流量控制（Flow Control），防止发送方发送的数据超过接收方的处理能力。

3. 实际发送窗口

TCP 发送方实际能够使用的发送窗口，同时受到拥塞控制和流量控制的限制。

实际发送窗口 = min(cwnd, rwnd)

其中：
cwnd：拥塞窗口（Congestion Window）
rwnd：接收窗口（Receive Window）

例如：

cwnd = 10 KB
rwnd = 6 KB

实际发送窗口 = min(10 KB, 6 KB)
= 6 KB

虽然网络允许发送 10 KB，但接收方只能接收 6 KB，因此发送方最多只能发送 6 KB 的未确认数据。

面试注意：

• 拥塞控制（Congestion Control）：考虑网络的承载能力

• 流量控制（Flow Control）：考虑接收方的接收能力

三、慢开始（Slow Start）

1. 为什么需要慢开始？

TCP 连接刚建立时，发送方并不知道当前网络的承载能力。

如果一开始就发送大量数据，可能会导致网络突然出现拥塞。

因此，TCP 不会一开始就使用很大的拥塞窗口，而是从较小的窗口开始，根据收到的确认信息逐步增大窗口。

这种方式称为慢开始。

注意：慢开始并不意味着窗口增长速度很慢，而是指从较小的窗口开始探测网络承载能力。

2. 慢开始的工作原理

慢开始阶段，拥塞窗口按照指数规律增长。

在经典教材模型中：

• 初始拥塞窗口为较小值，示例中取 1 MSS。

• 每收到一个新的 ACK，cwnd 增加 1 MSS。

• 一个 RTT 内通常可以收到约 cwnd 个 ACK。

• 因此，每经过一个 RTT，拥塞窗口大致翻倍。

MSS（Maximum Segment Size）表示最大报文段长度。

假设初始拥塞窗口为 1 MSS：

RTT 0：cwnd = 1 MSS

RTT 1：cwnd = 2 MSS

RTT 2：cwnd = 4 MSS

RTT 3：cwnd = 8 MSS

RTT 4：cwnd = 16 MSS

3. 慢开始增长图

拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）
|
16| ●
| /
| /
8| ●
| /
| /
4| ●
| /
2| ●
| /
1| ●
+——————————–> 时间（RTT）
0 1 2 3 4

指数增长（Exponential Growth）

可以看到，慢开始阶段的窗口增长速度越来越快。

4. 慢开始门限（Slow Start Threshold，ssthresh）

为了避免拥塞窗口无限制地指数增长，TCP 引入了一个阈值：

慢开始门限（ssthresh）。

它用于决定当前应该使用哪一种窗口增长方式：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始。

• 当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免。

例如：

初始 cwnd = 1 MSS
ssthresh = 16 MSS

cwnd：1 → 2 → 4 → 8 → 16

达到 ssthresh 后，进入拥塞避免阶段。

注意：慢开始门限不是网络拥塞的绝对临界值，而是 TCP 用来切换增长策略的控制参数。

四、拥塞避免（Congestion Avoidance）

1. 为什么需要拥塞避免？

慢开始阶段采用指数增长，窗口增长速度非常快。

如果一直按照指数规律增长，可能很快超过网络的承载能力，引发拥塞。

因此，当拥塞窗口达到慢开始门限后，TCP 会降低窗口增长速度，进入拥塞避免阶段。

2. 拥塞避免的工作原理

拥塞避免阶段，拥塞窗口按照线性规律增长。

经典教材模型中：

每经过一个 RTT，拥塞窗口大约增加 1 MSS。

例如：

当前 cwnd = 16 MSS

RTT 1：17 MSS
RTT 2：18 MSS
RTT 3：19 MSS
RTT 4：20 MSS

它不再像慢开始一样每经过一个 RTT 就翻倍，而是缓慢增加。

从每个 ACK 的角度看，拥塞避免通常可以近似表示为：

每收到一个新 ACK：

cwnd += MSS * MSS / cwnd

在一个 RTT 内累计起来，窗口大约增加 1 MSS。

3. 拥塞避免增长图

拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）
|
20| ●
19| ●
18| ●
17| ●
16| ●
|
+——————————–> 时间（RTT）
0 1 2 3 4

线性增长（Linear Growth）

4. 慢开始与拥塞避免的区别

可以记忆为：

慢开始：指数增长，快速探测网络能力。

拥塞避免：线性增长，谨慎增加发送速度。

五、快重传（Fast Retransmit）

1. 为什么需要快重传？

TCP 采用可靠传输机制，发送方发送数据后，需要接收方返回 ACK 确认。

如果发送的数据包丢失，发送方需要重新发送丢失的数据。

传统方式主要依靠超时重传（Retransmission Timeout，RTO）：

发送方等待一段时间，如果仍然没有收到确认，就认为数据可能丢失，然后重新发送。

但这种方式存在一个问题：

如果数据实际上已经丢失，发送方仍然需要等待超时时间，才能进行重传。

这会增加通信延迟。

因此，TCP 引入了快重传机制。

2. 快重传的工作原理

快重传的核心思想：

发送方连续收到 3 个重复 ACK 时，就认为某个数据段可能丢失，不必等待超时，立即重传丢失的数据。

为什么会出现重复 ACK？

假设发送方连续发送 4 个数据段：

DATA 1
DATA 2
DATA 3
DATA 4

其中 DATA 2 丢失了。

接收方收到 DATA 1 后，正常确认 DATA 1。

但当接收方收到 DATA 3 和 DATA 4 时，由于 DATA 2 尚未收到，数据流中出现了缺口。

TCP 使用累计确认（Cumulative Acknowledgment），因此接收方仍然确认自己期望收到的下一个字节。

于是，接收方会连续返回相同的 ACK。

3. 快重传过程图

发送方（Sender） 接收方（Receiver）
| |
|——— DATA 1 —————–>|
|<——– ACK 2 ——————-|
| |
|——— DATA 2 —-X | 数据丢失
| |
|——— DATA 3 —————–>|
|<——– ACK 2 ——————-| 重复 ACK 1
| |
|——— DATA 4 —————–>|
|<——– ACK 2 ——————-| 重复 ACK 2
| |
|——— DATA 5 —————–>|
|<——– ACK 2 ——————-| 重复 ACK 3
| |
| 立即重传 DATA 2 |
|——— DATA 2（重传）———->|
| |
|<——– ACK 6 ——————-| 累计确认
| |

说明：

• DATA 2 丢失。

• 接收方收到后续数据时，仍然返回 ACK 2。

• 发送方收到 3 个重复 ACK 后，触发快重传。

• 发送方不必等待 RTO 超时，立即重传 DATA 2。

• 接收方收到缺失数据后，可以一次性确认连续收到的数据。

图中 DATA 1、DATA 2 等是便于理解的简化编号。实际 TCP 的 ACK 确认的是字节序号，而不是数据段编号。

4. 快重传的优点

与传统超时重传相比：

• 不需要等待 RTO 超时。

• 能够更快地发现可能丢失的数据。

• 降低数据重传的等待时间。

• 提高 TCP 传输效率。

注意：经典 TCP Reno 通常使用 3 个重复 ACK 作为触发快重传的条件。现代 TCP 还可能结合其他丢包检测机制。

六、快恢复（Fast Recovery）

1. 为什么需要快恢复？

快重传解决了数据丢失后等待超时的问题。

但当发送方发现数据丢失时，也说明当前网络可能出现了拥塞。

因此，发送方需要降低发送速度。

如果每次收到 3 个重复 ACK 都直接将拥塞窗口降到 1 MSS，再重新进行慢开始，就可能过于保守。

所以，TCP Reno 引入了快恢复机制。

快恢复的核心思想：发生轻度拥塞时，降低拥塞窗口，但不必将窗口直接降到 1 MSS，而是从较大的窗口重新进入拥塞避免。

2. 快恢复的工作原理

以经典 TCP Reno 为例：

假设：

当前 cwnd = 16 MSS
FlightSize = 16 MSS

FlightSize 表示当前已经发送但尚未收到确认的数据量。

当发送方收到 3 个重复 ACK 时：

第一步：调整慢开始门限。

ssthresh = max(FlightSize / 2, 2 * MSS)

假设 FlightSize = 16 MSS

ssthresh = 8 MSS

第二步：调整拥塞窗口。

cwnd = ssthresh + 3 * MSS

cwnd = 8 + 3
= 11 MSS

这里加上 3 MSS，是因为已经收到 3 个重复 ACK，说明有后续数据到达接收方，网络中仍然存在一定的数据传输活动。

第三步：执行快重传。

立即重传丢失的数据段。

第四步：处理后续重复 ACK。

如果继续收到额外的重复 ACK，经典 Reno 会将 cwnd 再增加 1 MSS，并在满足发送条件时继续发送数据。

第五步：收到新的 ACK。

当发送方收到确认重传数据的新 ACK 后：

cwnd = ssthresh

此时：

cwnd = 8 MSS

随后进入拥塞避免阶段，按照线性规律增长。

3. 快恢复过程图

拥塞窗口（cwnd）

16 MSS ───────────────● 发生丢包
|
| 收到 3 个重复 ACK
|
11 MSS ● 快恢复（Fast Recovery）
|
| 收到新的 ACK
|
8 MSS ───────────────● 进入拥塞避免
|
| 线性增长
|
●
●
●
+——————–> 时间

注意：

经典 Reno 在第三个重复 ACK 到达时，临时将 cwnd 设置为 ssthresh + 3 MSS，收到新的 ACK 后再将其设置为 ssthresh。

因此，不能简单地说拥塞窗口从 16 MSS 直接变成 8 MSS，中间还有快恢复阶段的临时窗口调整。

七、超时重传与拥塞窗口调整

快重传主要针对能够通过重复 ACK 发现的数据丢失。

但如果发送方长时间没有收到 ACK，就可能触发超时重传（RTO）。

在经典 TCP Reno 教材模型中，超时通常被认为是更严重的拥塞信号。

假设：

原 cwnd = 20 MSS
FlightSize = 20 MSS

发生 RTO 超时后：

第一步：重新计算慢开始门限。

ssthresh = max(FlightSize / 2, 2 * MSS)

ssthresh = 10 MSS

第二步：将拥塞窗口降到 1 MSS。

cwnd = 1 MSS

第三步：重新进入慢开始。

1 → 2 → 4 → 8 → 10

达到 ssthresh 后，再进入拥塞避免阶段。

超时重传示意图

拥塞窗口（cwnd）

20 MSS ─────────────● 发生 RTO 超时
|
|
● 降至 1 MSS
1 MSS ─────────────●
|
| 慢开始（指数增长）
|
2 MSS ●
|
4 MSS ●
|
8 MSS ●
|
10 MSS ● 达到 ssthresh
|
| 拥塞避免（线性增长）
|
+——————–> 时间

八、四种算法如何协同工作？

前面分别介绍了四种算法，现在将它们联系起来。

TCP 拥塞控制的整体工作流程可以概括为：

TCP 连接建立
|
v
慢开始（Slow Start）
|
| cwnd 达到 ssthresh
v
拥塞避免（Congestion Avoidance）
|
| 发现数据丢失
v
判断丢失信号
/ \\
/ \\
3 个重复 ACK RTO 超时
| |
v v
快重传 ssthresh 减半
（Fast Retransmit） |
| v
v cwnd = 1 MSS
快恢复 |
（Fast Recovery） v
| 慢开始
v
cwnd = ssthresh
|
v
拥塞避免

注意：图中是经典 TCP Reno 的简化流程。实际 TCP 实现还可能使用选择确认（SACK）、更复杂的丢包恢复机制和不同的拥塞控制算法。

九、TCP Tahoe 与 TCP Reno 的区别

理解完四种算法后，还需要了解两种经典 TCP 拥塞控制方案。

1. TCP Tahoe

TCP Tahoe 是较早的一种拥塞控制方案。

它包含：

• 慢开始（Slow Start）

• 拥塞避免（Congestion Avoidance）

• 快重传（Fast Retransmit）

但没有快恢复机制。

无论是收到 3 个重复 ACK，还是发生 RTO 超时，Tahoe 都会将拥塞窗口重新设置为 1 MSS，然后重新慢开始。

2. TCP Reno

TCP Reno 在 Tahoe 的基础上增加了快恢复机制。

它包含四种核心算法：

• 慢开始

• 拥塞避免

• 快重传

• 快恢复

当收到 3 个重复 ACK 时，Reno 使用快重传和快恢复，避免拥塞窗口直接降到 1 MSS。

但发生 RTO 超时时，经典 Reno 仍然会将拥塞窗口降到 1 MSS，重新进行慢开始。

3. 两者对比

面试重点：

Tahoe 与 Reno 最重要的区别是：Reno 增加了快恢复机制。

十、现代 TCP 拥塞控制算法

前面介绍的慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复，是理解传统 TCP 拥塞控制机制的重要基础。

但现代 TCP 实际使用的拥塞控制算法还包括 CUBIC、BBR 等。

1. CUBIC

CUBIC 是一种基于拥塞窗口变化的拥塞控制算法。

它使用三次函数调整拥塞窗口，在高带宽、长延迟网络中具有较好的性能。

Linux 系统中广泛使用 CUBIC。

2. BBR

BBR 是一种基于带宽和 RTT 估计的拥塞控制算法。

它主要通过估计：

• 瓶颈带宽（Bottleneck Bandwidth）

• 最小往返时延（Minimum RTT）

来调整数据发送速率。

与传统主要依靠丢包判断拥塞的算法不同，BBR 不将丢包作为主要拥塞信号，而是尝试根据网络的带宽和时延模型控制发送速率。

注意：BBR 并不是完全不处理丢包，而是其拥塞控制决策不单纯依赖丢包信号。

十一、面试高频考点

1. 什么是 TCP 拥塞控制？

TCP 拥塞控制是指发送方根据网络的拥塞情况动态调整拥塞窗口（cwnd），控制数据发送速度，避免网络出现严重拥塞，从而提高网络传输效率。

2. TCP 拥塞控制有哪些算法？

经典 TCP 拥塞控制主要包括四种算法：

3. 慢开始为什么叫慢开始？

慢开始并不是指增长速度慢，而是指发送方从较小的拥塞窗口开始，逐步探测网络承载能力。

其窗口在经典模型中按照指数规律增长，速度实际上比较快。

4. 慢开始和拥塞避免有什么区别？

慢开始采用指数增长，每经过一个 RTT，拥塞窗口大约翻倍。

拥塞避免采用线性增长，每经过一个 RTT，拥塞窗口大约增加 1 MSS。

5. 什么是慢开始门限？

慢开始门限（ssthresh）是 TCP 用来决定拥塞窗口增长策略的参数。

当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始；当 cwnd >= ssthresh 时，使用拥塞避免。

6. 快重传为什么需要 3 个重复 ACK？

当接收方收到失序数据时，会重复确认当前期望收到的下一个字节。

发送方连续收到 3 个重复 ACK，说明后续数据仍然能够到达接收方，但某个数据可能已经丢失。

因此，发送方可以推测发生了丢包，并立即进行重传，而不必等待超时。

7. 快重传和超时重传有什么区别？

快重传通过重复 ACK 发现可能丢失的数据，不需要等待 RTO。

超时重传则是在发送方等待确认超过 RTO 后，才执行重传。

8. 快恢复为什么不将拥塞窗口降到 1 MSS？

因为收到 3 个重复 ACK 时，说明网络中仍然有后续数据到达接收方，网络并非完全无法传输数据。

因此，经典 Reno 会将拥塞窗口调整到 ssthresh + 3 MSS，完成重传后再将窗口调整为
ssthresh，进入拥塞避免。

9. 拥塞控制和流量控制有什么区别？

拥塞控制考虑的是网络整体的承载能力，通过 cwnd 调整发送速度。

流量控制考虑的是接收方的接收能力，通过 rwnd 限制发送方的数据发送量。

实际发送窗口受二者共同限制：

发送窗口 = min(cwnd, rwnd)

10. TCP Tahoe 和 TCP Reno 有什么区别？

Tahoe 不支持快恢复，发生丢包后会将拥塞窗口降到 1 MSS。

Reno 增加了快恢复机制，收到 3 个重复 ACK 时可以通过快重传和快恢复，避免窗口直接降到 1 MSS。

十二、总结

建议重点理解的窗口变化过程

这一部分建议单独记忆，因为面试官很喜欢通过给定窗口数值，让你分析 TCP 的状态变化。

经典 TCP Reno 窗口变化示意

阶段一：慢开始

1 → 2 → 4 → 8 → 16

每经过一个 RTT，cwnd 约翻倍。

阶段二：拥塞避免

16 → 17 → 18 → 19 → 20

每经过一个 RTT，cwnd 约增加 1 MSS。

阶段三：收到 3 个重复 ACK

20 → 10（示意）

ssthresh 调整为 FlightSize 的一半，进入快恢复；这里省略了 Reno 的临时窗口膨胀细节。

阶段四：发生 RTO 超时

20 → 1

经典 Reno 将 cwnd 降到 1 MSS，重新进入慢开始。

这里有一个容易混淆的地方： 快恢复期间，Reno 的 cwnd 并不是直接从 20 变成 10。它先设置 ssthresh，再将 cwnd 临时设置为 ssthresh + 3 MSS，收到新 ACK 后才将 cwnd 设为 ssthresh。

容易出现的三个错误

TCP 拥塞控制的核心是通过动态调整拥塞窗口（cwnd），控制发送方的数据发送速度。

四种经典算法各司其职：

• 慢开始（Slow Start）：从较小窗口开始，指数增长，探测网络承载能力。

• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：达到慢开始门限后，线性增长，谨慎提高发送速度。

• 快重传（Fast Retransmit）：收到 3 个重复 ACK 后，不等待超时，立即重传丢失的数据。

• 快恢复（Fast Recovery）：发生轻度拥塞后，适当降低拥塞窗口，完成恢复后进入拥塞避免。

可以用一句话记忆整个过程：

先通过慢开始快速探测网络能力，再通过拥塞避免谨慎增加发送速度；发现丢包后，通过快重传及时补发数据，并利用快恢复调整拥塞窗口。若发生 RTO 超时，则认为拥塞情况较严重，需要将窗口降至较小值重新开始。