计算机网络中拥塞算法

### 计算机网络中的拥塞控制算法 #### 概述 在网络通信中，当过多的数据被发送到网络上而超过了其承载能力时就会发生拥塞。为了防止这种情况的发生并保持高效可靠的传输，TCP实现了多种拥塞控制机制来调整数据流的速度。 #### 主要原理 这些机制基于接收方反馈的信息以及对当前网络状况的估计来进行工作。具体来说，在遇到丢包或其他形式的性能下降时，发送端会减慢自己的速率；而在检测到网络条件改善之后，则可以逐渐增加传送量直到再次接近最优状态为止[^1]。 #### 实现方式 一种常见的做法是在应用程序层面通过编程语言如C++模拟TCP的行为逻辑。这通常涉及到以下几个方面： - **初始化参数设置** 发送窗口大小、初始阈值等关键变量需合理设定以适应不同场景下的需求。 - **慢启动阶段** 开始时快速增大拥塞窗口(cwnd)，每次收到确认ACK就将其翻倍，直至达到预设门限ssthresh或触发其他限制因素。 - **避免过载** 当cwnd超过一定限度后进入线性增长模式——即每经过一轮完整的往返时间(RTT)仅允许少量增量扩展，从而更加谨慎地探测可用带宽而不至于造成严重阻塞现象。 - **超时重传与快速恢复处理** 如果发现有分组未能成功抵达目的地(比如因为链路故障等原因造成的长时间无响应),则立即回退至更保守的状态重新评估路径特性; 同样地,对于偶发性的个别错误也可以采取局部修正措施而非全面重启整个流程. ```cpp // C++代码片段展示了一个简化版的TCP拥塞控制逻辑框架 class TCP_CongestionControl { private: int cwnd_; // Congestion Window size int ssthresh_; // Slow start threshold value public: void initialize() { cwnd_ = 1; ssthresh_ = MAX_WINDOW_SIZE / 2; } void slowStartPhase() { while (cwnd_ < ssthresh_) { // Double the window size on each ACK received during this phase. cwnd_ *= 2; } } void congestionAvoidancePhase() { if (packetLossDetected()) { // If packet loss is detected... ssthresh_ = cwnd_ / 2; cwnd_ = 1; // Reset to one segment and enter slow-start again. } else { // Increase by a smaller amount after reaching or exceeding ssthresh_ cwnd_ += someSmallValue(); } } }; ```

### 常见计算机网络拥塞控制算法及其工作原理 #### 慢开始 (Slow Start) 慢开始是一种用于初始化连接或在网络恢复后的拥塞控制策略。在此阶段，发送方会指数级增加拥塞窗口（cwnd），直到遇到丢包或其他形式的拥塞信号为止[^2]。 ```python if cwnd < ssthresh: cwnd *= 2 # 每经过一个往返时间RTT, 发送窗口翻倍增长 ``` #### 拥塞避免 (Congestion Avoidance) 一旦拥塞窗口达到阈值ssthresh，则进入拥塞避免阶段，在此期间采用线性增长方式逐步扩大拥塞窗口大小。这种方式可以有效防止过快的增长导致新的拥塞事件发生。 ```python elif cwnd > ssthresh: cwnd += MSS / cwnd # 每经过一个RTT, 发送窗口按比例缓慢增长 ``` #### 快重传与快恢复 (Fast Retransmit and Fast Recovery) 当接收端检测到三个重复确认ACK时触发快重传机制立即重新传送丢失的数据段而不必等待定时器超时；而快恢复则是在执行完快重传之后不回到慢启动而是继续维持当前较高的传输率并适当减小拥塞窗口来应对可能存在的轻度拥塞情况[^3]。 ```python if three_duplicate_acks_received: retransmit_lost_segment() enter_fast_recovery_state() while in fast_recovery_state: reduce_cwnd_by_half() # 减少一半的拥塞窗口 ``` #### 加权随机早期检测(WRED) WRED 是一种主动队列管理方法，它允许路由器根据不同的优先级和服务质量需求提前丢弃部分数据包以预防潜在的严重拥塞状况出现。这种方法有助于提高整体网络性能的同时也保障了高优先级业务的服务水平[^1]。 #### BBR (Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time) BBR 不依赖于传统的基于丢包判断拥塞的方式，转而利用带宽估计和延迟测量来进行更加精准有效的拥塞控制。其核心思想在于持续监测链路上的最大可用带宽以及最小往返传播延时从而动态调整自身的发送速率。