面试题：网络编程下TCP拥塞控制机制各阶段详细分析

Question

TCP拥塞控制包含慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复四个阶段。请详细描述每个阶段的触发条件、窗口大小变化的具体过程，以及它们之间是如何相互转换的？

Answer 1

慢启动

1. 触发条件：
   • 连接刚刚建立时，发送方开始进行数据传输，此时进入慢启动阶段。
2. 窗口大小变化过程：
   • 初始化拥塞窗口 cwnd 为一个最大报文段长度（MSS）。
   • 每收到一个对新报文段的确认（ACK），就将 cwnd 增加一个MSS大小。这意味着每经过一个往返时间（RTT），cwnd 就会翻倍。例如，初始 cwnd = 1MSS，收到第一个ACK后 cwnd = 2MSS，收到第二个ACK后 cwnd = 3MSS 等，随着ACK的不断到来，cwnd 快速增长。
3. 转换条件：
   • 当 cwnd 增长到慢启动门限（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。
   • 如果发生超时（即一定时间内没有收到某个报文段的ACK），则将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半（四舍五入），同时将 cwnd 重新设置为1个MSS，重新进入慢启动阶段。

拥塞避免

1. 触发条件：
   • 当 cwnd 达到慢启动门限 ssthresh 时，进入拥塞避免阶段。
2. 窗口大小变化过程：
   • 每经过一个RTT，并且收到该RTT内所有报文段的ACK，就将 cwnd 增加1个MSS。例如，当前 cwnd = 8MSS，经过一个RTT收到所有ACK后，cwnd 变为 9MSS，窗口增长速度相对慢启动阶段明显减缓。
3. 转换条件：
   • 如果发生超时，将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半（四舍五入），同时将 cwnd 重新设置为1个MSS，进入慢启动阶段。
   • 如果收到三个重复的ACK（即同一个报文段的ACK收到了4次），则执行快重传和快恢复算法，进入快恢复阶段。

快重传

1. 触发条件：
   • 发送方连续收到三个重复的ACK时，触发快重传。这表明可能有一个报文段丢失，但网络还没有拥塞到需要超时重传的程度。
2. 窗口大小变化过程：
   • 快重传本身不直接改变 cwnd 大小，但它是快恢复的前置条件。在收到三个重复ACK后，发送方立即重传丢失的报文段，而不是等待超时。
3. 转换条件：
   • 执行快重传后，立即进入快恢复阶段。

快恢复

1. 触发条件：
   • 执行快重传后进入快恢复阶段。
2. 窗口大小变化过程：
   • 将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半（四舍五入）。
   • 然后将 cwnd 设置为 ssthresh 加上3倍的MSS（因为收到了三个重复ACK，意味着有三个数据包已经离开了网络，所以可以适当增加窗口）。
   • 之后每收到一个重复的ACK，cwnd 增加1个MSS。当收到对重传报文段的ACK时，将 cwnd 设置为 ssthresh，进入拥塞避免阶段。
3. 转换条件：
   • 收到对重传报文段的ACK后，进入拥塞避免阶段。
   • 如果在快恢复阶段发生超时，将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半（四舍五入），同时将 cwnd 重新设置为1个MSS，进入慢启动阶段。