TCP 拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复
你可能遇到过这种情况：下班高峰期，明明道路很宽（带宽很大），但就是堵得一动不动。
网络也是如此——带宽再大，如果所有车都挤在一起，也会堵死。
TCP 的拥塞控制，就是解决网络拥塞问题的机制。
为什么需要拥塞控制？
拥塞（Network Congestion）是指网络中的数据包太多，超过了路由器的处理能力，导致：
- 丢包
- 延迟增加
- 整个网络性能下降
无拥塞：
发送方 ──────────────────────────────> 接收方
路由器：轻松处理，延迟低
拥塞：
发送方 ───> 路由器 ───> 路由器 ───> 接收方
↑
队列爆满，丢包拥塞控制的目标是：在避免网络拥塞的前提下，尽可能利用带宽。
拥塞控制的四个算法
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ TCP 拥塞控制四部曲 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 慢启动（Slow Start） │
│ 窗口从小到大，指数增长 │
│ │
│ 2. 拥塞避免（Congestion Avoidance） │
│ 接近瓶颈，线性增长 │
│ │
│ 3. 快重传（Fast Retransmit） │
│ 丢包时快速重传，不等超时 │
│ │
│ 4. 快恢复（Fast Recovery） │
│ 丢包后快速恢复，而不是从头开始 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘慢启动（Slow Start）
核心思想
连接建立初期，TCP 不知道网络能承受多少数据。
慢启动让 cwnd（拥塞窗口）从一个很小的值开始，每收到一个 ACK，cwnd 就增加一点。
增长规则
初始：cwnd = 1 MSS（最大报文段大小）
每收到一个 ACK：cwnd += 1 MSS
等价于：每 RTT，cwnd 加倍时间轴：
t=0: cwnd = 1 MSS
t=1RTT: cwnd = 2 MSS (+1)
t=2RTT: cwnd = 4 MSS (+2)
t=3RTT: cwnd = 8 MSS (+4)
t=4RTT: cwnd = 16 MSS (+8)
...什么时候停止慢启动？
停止条件：
1. cwnd >= ssthresh（慢启动阈值）
2. 发生丢包
进入拥塞避免阶段ssthresh 的初始值：
- 通常是接收方通告窗口的大小
- 或者一个较大的值（如 65535 bytes）图示
cwnd
│
16│ ● 拥塞避免（线性增长）
│ ╱
8│ ●
│ ╱
4│ ● ← ssthresh = 4
│ ╱
2│ ● ← 慢启动结束
│ ╱
1│ ● ← 慢启动开始
└──────────────────────────────► 时间(RTT)
1 2 4 8 ...拥塞避免（Congestion Avoidance）
核心思想
当 cwnd 接近网络容量时，不能继续指数增长了，否则会加剧拥塞。
改为每 RTT 增加 1 MSS，线性增长。
增长规则
每收到一个 ACK：cwnd += MSS * MSS / cwnd
等价于：每 RTT，cwnd += 1 MSS为什么是这样？
每个 ACK 确认了 cwnd / MSS 个字节
每个字节增加 1 MSS / cwnd
所以总增量 = (cwnd / MSS) * (MSS / cwnd) * MSS = MSS拥塞避免过程
ssthresh = 8 MSS
cwnd = 8 MSS（进入拥塞避免）
t=1RTT: cwnd = 9 MSS (+1)
t=2RTT: cwnd = 10 MSS (+1)
t=3RTT: cwnd = 11 MSS (+1)
t=4RTT: cwnd = 12 MSS (+1)
...拥塞时会发生什么？
丢包的两种表现
1. 超时丢包
- 最严重的拥塞信号
- 触发：慢启动从头开始
2. 快速重传（3个重复ACK）
- 较轻的拥塞
- 触发：快恢复超时丢包处理
检测到超时：
1. ssthresh = cwnd / 2
2. cwnd = 1 MSS
3. 回到慢启动阶段这是最保守的处理，因为超时意味着网络可能已经严重拥塞。
快速重传处理
收到 3 个重复 ACK：
1. ssthresh = cwnd / 2
2. cwnd = ssthresh + 3 * MSS
3. 进入快恢复和超时不同，快速重传说明至少有些数据到了接收方，网络情况没那么糟。
快重传（Fast Retransmit）
核心思想
不要等超时（太慢），用重复 ACK 来快速检测丢包。
丢包场景：
发送方 ──── 1 ────> 收到
发送方 ──── 2 ────> 收到
发送方 ──── 3 ────> 丢失！
发送方 ──── 4 ────> 收到
接收方 ──── ACK(2) ────> 重复 ACK
接收方 ──── ACK(2) ────> 重复 ACK（3个）
接收方 ──── ACK(2) ────> 重复 ACK
收到 3 个重复 ACK，立即重传 seq=3为什么是 3 个？
1 个重复 ACK 可能是乱序 2 个重复 ACK 不够确定 3 个重复 ACK 基本可以确定是丢包
快恢复（Fast Recovery）
核心思想
丢包后，不要完全从头开始，而是快速恢复。
Reno 算法的快恢复
收到 3 个重复 ACK：
1. ssthresh = cwnd / 2
2. cwnd = ssthresh + 3 * MSS
3. 重传丢失的段
4. 如果还有重复 ACK，cwnd += MSS
5. 收到新数据的 ACK，退出快恢复，进入拥塞避免图示：
快恢复
cwnd ────●──── ssthresh + 3 ────────── cwnd = ssthresh
↑ ↓ ↓
丢包 cwnd -= 2 线性增长Tahoe 算法的快恢复（旧版）
Tahoe 算法收到 3 个重复 ACK 后，直接回到慢启动：
Tahoe:
收到 3 个 dup ACK → ssthresh = cwnd/2 → cwnd = 1 MSS → 慢启动
Reno:
收到 3 个 dup ACK → ssthresh = cwnd/2 → cwnd = ssthresh + 3*MSS → 快恢复Reno 比 Tahoe 更好，因为快恢复允许更激进地恢复。
综合流程图
cwnd
│
│ ┌─────────────────────┐
│ │ 拥塞避免 │
│ │ 线性增长 │
│ │ (cwnd += 1/RTT) │
│ └─────────────────────┘
│ ▲
│ │ cwnd >= ssthresh
│ │
│ ┌──────┴──────┐
│ │ │
│ │ 慢启动 │ 收到 3 dup ACK
│ │ 指数增长 │─────────────┐
│ │ cwnd *= 2 │ │
│ │ │ ▼
│ └─────────────┘ ┌─────────────┐
│ │ 快恢复 │
│ │ (cwnd/2+N) │
│ └─────────────┘
│ ▲
│ │ 收到 ACK
│ │
└───────────────────────────────────┘
超时 → cwnd = 1, ssthresh = cwnd/2实际案例：拥塞窗口观察
bash
# Linux 查看 TCP 拥塞控制算法
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control
# 输出：cubic（CentOS/RHEL 默认）
# 查看可用的拥塞控制算法
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_available_congestion_control
# 输出：cubic reno
# 切换算法（需要权限）
echo reno > /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_controljava
// Java 设置 socket 选项（部分支持）
Socket socket = new Socket();
socket.setPerformancePreferences(0, 2, 1);
// 参数含义：短连接延迟、带宽、连接时间现代拥塞控制算法
CUBIC（Linux 默认）
CUBIC 的窗口增长函数：
W(t) = C * (t - K)^3 + W_max
C: 常数
t: 从丢包后经过的时间
K: 窗口从 W_max 降到 1 的时间
W_max: 丢包前的窗口大小CUBIC 比 Reno 更保守，在高带宽网络中表现更好。
BBR（Bottleneck Bandwidth and RTT）
BBR 是 Google 2016 年提出的新算法，不依赖丢包来检测拥塞。
BBR 的核心思想：
1. 持续测量带宽（最大带宽）
2. 持续测量 RTT（最小延迟）
3. 窗口 = 带宽 * RTT（BDP，带宽延迟积）与 CUBIC 的区别：
CUBIC：丢包 → 减少窗口 → 慢慢恢复
BBR：测量带宽和延迟 → 主动控制窗口BBR 优势：
- 在高延迟/丢包网络中表现更好
- 不依赖丢包来控制拥塞
- 对无线网络更友好
BBR 劣势：
- 需要更多内存跟踪状态
- 在某些场景下可能占用太多缓冲区面试追问方向
- 什么是拥塞控制？为什么需要拥塞控制？
- 拥塞控制和流量控制的区别是什么？
- 慢启动阶段 cwnd 是如何增长的？
- 什么情况下会退出慢启动进入拥塞避免？
- 什么是快重传？为什么要等 3 个重复 ACK？
- 快恢复和慢启动的区别是什么？
- 什么是 BDP（带宽延迟积）？
- CUBIC 和 BBR 的区别是什么？
- TCP 连接建立初期，为什么要用慢启动而不是直接用大窗口？
- 如何查看和修改系统的拥塞控制算法？