面试题：网络拥塞控制与性能优化

Question

假设你正在处理一个高并发的网络应用，出现了网络拥塞导致性能下降的问题。请详细阐述你会如何从网络编程的角度，结合拥塞控制算法（如TCP拥塞控制）来优化性能，包括如何检测拥塞、调整发送速率以及可能涉及到的具体机制。

Answer 1

检测拥塞

1. 基于丢包检测：
   • TCP通过检测数据包的丢失来推断拥塞的发生。当发送方在重传超时（RTO）时间内没有收到某个数据包的确认（ACK）时，就认为该数据包可能丢失，进而推测网络出现了拥塞。例如，在一个简单的TCP客户端 - 服务器应用中，客户端发送数据后，若超过设定的RTO时间仍未收到服务器的ACK，就启动拥塞处理机制。
   • 此外，TCP还通过快速重传机制来更快地检测丢包。当发送方连续收到三个相同的ACK时，就认为中间的数据包已经丢失，此时不必等待RTO超时，直接重传该数据包并进行拥塞控制。
2. 基于延迟检测：
   • 测量往返时间（RTT），如果RTT显著增加，这可能意味着网络出现了拥塞。因为在拥塞情况下，数据包在网络中的排队时间会变长，导致RTT增大。例如，可以在发送数据包时记录发送时间，收到ACK时记录接收时间，两者之差即为RTT。当连续多个RTT值明显高于正常水平时，可判断为拥塞。

调整发送速率

1. 慢启动：
   • 当连接建立或拥塞窗口（cwnd）重置时，cwnd初始化为一个较小的值（通常为1个最大段大小MSS）。每收到一个新的ACK，cwnd就增加一个MSS大小。这样，cwnd会以指数级的速度增长，快速探测网络的可用带宽。例如，开始时cwnd = 1MSS，收到第一个ACK后，cwnd变为2MSS，收到第二个ACK后，cwnd变为3MSS，以此类推。
2. 拥塞避免：
   • 当cwnd增长到慢启动门限（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。在这个阶段，每收到cwnd个ACK，cwnd才增加1个MSS。相比慢启动的指数增长，此时是线性增长，以避免过快占用过多网络资源导致拥塞。例如，若cwnd = 16MSS，ssthresh = 16MSS，收到16个ACK后，cwnd才变为17MSS。
3. 快速重传和快速恢复：
   • 当发生快速重传（连续收到三个相同ACK）时，执行快速恢复。首先将ssthresh设置为当前cwnd的一半，然后将cwnd设置为ssthresh加上3倍的MSS（因为收到三个ACK，意味着网络可能还有一定的带宽）。之后，cwnd进入拥塞避免阶段，线性增长。例如，当前cwnd = 32MSS，ssthresh = 32MSS，发生快速重传后，ssthresh变为16MSS，cwnd变为16MSS + 3MSS = 19MSS，然后进入拥塞避免。
4. 拥塞发生后的调整：
   • 当发生超时（RTO超时未收到ACK）时，ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd重置为1个MSS，重新进入慢启动阶段。这是一种较为保守的策略，以大幅降低发送速率，缓解网络拥塞。

具体机制

1. 窗口机制：
   • TCP使用拥塞窗口（cwnd）和接收窗口（rwnd）来控制数据发送量。发送方的发送窗口大小为min(cwnd, rwnd)。rwnd由接收方通告，反映接收方的接收能力，而cwnd根据拥塞控制算法动态调整，确保发送速率与网络状况相匹配。
2. ACK机制：
   • ACK不仅用于确认数据的接收，还在拥塞控制中起到关键作用。发送方根据ACK的返回情况来调整cwnd。例如，通过ACK的到达速率和数量来判断网络的拥塞程度，进而决定是采用慢启动、拥塞避免还是其他拥塞控制策略。
3. 定时器机制：
   • 重传定时器（RTO）用于在数据包丢失时触发重传和拥塞处理。合理设置RTO至关重要，若RTO设置过短，可能会导致不必要的重传；若设置过长，会使网络拥塞不能及时得到处理。此外，还有其他定时器如持续定时器用于处理窗口更新等情况，辅助整个拥塞控制过程。