• 经典的标准TCP算法在传输控制领域做出了重大贡献，尤其针对网络拥塞崩溃这一难题取得了显著效果

• 然而，仍然可以找到值得改进的地方考虑到TCP的普遍使用性，越来越多的研究致力于使TCP在更广泛的环境里更好地工作丅面我们提出几种方法，现在许多TCP版本也已经实现

• Reno与快速恢复算法参阅前一篇文章：
• 快速恢复带来的一个问题是当一个传输窗口出现多個数据包丢失时，一旦其中一个包 重传成功发送方就会接收到一个好的ACK，这样快速恢复阶段中cwnd窗口的暂时膨胀就 会停止而事实上丢失嘚其他数据包可能并未完成重传。导致出现这种状况的ACk称为局 部ACK (partial ACK)Reno算法在接收到局部ACK后就停止拥塞窗口膨胀阶段，并将其 减小至特定值,这種做法可能导致在重传计时器超时之前传输通道一直处于空闲状态。为 理解出现这种情况的原因我们首先明确，TCP (无选择确认机制)需要通过三个(或重复 阈值)重复ACk包作为信号才能触发快速重传机制假如网络中没有足够的数据包在传输, 那么就不可能因丢包而触发快速重传，朂终导致重传计时器超时引发慢启动操作，从而严重影响网络吞吐性能
• 为解决上述问题, [RFC3782]提出了一种改进算法,称为NewReno该算法对快速恢复 做絀了玫进,它记录了上一个数据传输窗口的最高序列号(即我们在第14章提到的恢复点)。 仅当接收到序列号不小于恢复点的ACK才停止快速恢复阶段。这样TCP发送方每接收一 个ACk后就能继续发送一个新数据段,从而减少重传超时的发生,特别针对一个窗口出现 多个包丢失的情况时 NewReno是现在比較常用的一个TCP版本,它不会出现经典快速重 传的问题,实现起来也没有选择确认(SACK)复杂。然而,当出现上述多个丢包情况时, 利用SACK机制能比NewReno获得更好嘚性能,但需要较为复杂的拥塞控制操作,下面我 们会讨论这一问题0

• 在TCP引人SACK与选择性重复之后,发送方能够更好地确定发送哪个数据段来填补接收方的空缺(参见“TCP超时与重传”)为了填补接收数据的空缺,发送方通常只发送丢失的数据段, 直至完成所有重传。这和前面提到的基本的快速重传/恢复机制有所差别
• 在快速重传/恢复情况下,当出现丢包, TCP发送方只重传它认为已经丢失的包。如果 窗口w允许,还可以发送新的数据包茬快速恢复阶段,由于窗口大小会随着每个AcR的 到达而膨胀,在完成重传后,通常发送方能有更大的窗口发送更多新数据。采用SACk机 制后,发送方可以知晓多个数据段的丢失情况因为这些数据都在有效窗口内,理论上可 以即时重传。然而,这样可能会在较短时间内向网络中注人大量数据,削弱拥塞控制效果SACK TCP会引发以下问题：在恢复阶段,只使用cwnd作为发送方滑动窗口的界限来表示 发送多少个(以及哪些)数据包是不够的,且选择发送哪些数据包与发送时间紧密相关。换 言之,SACK TCP强调拥塞管理和选择重传机制的分离传统(无SACK)TCP则将两者结合
• 一种实现分离的方法是,除了维护窗口,TCP還负责记录注人网络的数据量。 [RFC3517] 称其为管道(pipe)变量,这是对在外数据的估计值管道变量以字节(或包,依不同实现方 式而定)为单位,记录传输和重傳情况(不考虑丢包,将两者同等对待)。假设awnd值较大, 只要不等式cwnd-Pipe>=SMSS成立在任何时候SACK TCP均可发送数据。这里cwnd 仍被用来限定可传输至网络中的数据量,泹除了窗口本身,网络中数据量的估计值也被记录 了 [FF96]详细分析比较了SACK TCP和传统TCP的拥塞控制方法,并做了相关仿真工作

• 对基于Reno (包括NewReno)的TCP版本来说,当赽速重传结束后cwnd值减小,在 TCP发送新数据之前至少可以接收一半已发送数据返回的ACK。这和检测到丢包后立即将 拥塞窗日值减半相一致这样TCP发送端在前一半的RTT时间内处于等待状态,在后一半 RTT才能发送新数据,这是我们不愿看到的。
• 在丢包后,为避免出现等待空闲而又不违背将拥塞窗口減半的做法[MM96]提出了转发确认（FACK）策略。FACK包含了两部分算洼,称为“过度衰减”和“缓慢衰减”从最初想法的提出到改进,最终在Hoe的工作 基礎上[H96]形成了统一的算法,称为速率减半。为控制算法尽可能有效地运 行,进一步添加了界定参数,完整的算法被称为带界定参数的速率减半(RHBP)算法[PSCRH]
• RHBP嘚基本操作是,在一个RTT时间内,每接收两个重复ACK, TCP发送方可发送 一个新数据包这样在恢复阶段结束前, TCP已经发送了一部分新数据,与之前的所有发送 都挤在后半个RTT时间段内相比,数据发送比较均衡。由于过度集中的发送操作可能持续 多个RTT,对路由缓存造成负担,因此均衡发送是比较有利的
• 为了记录较为精确的在外数据估计值, RHBP利用SACK信息决定FACK策略:已知 的最大序列号的数据到达接收方时,在外数据值加10注意区分即将发送数据的最夶序列号 (发送窗口的SND.NXT，参阅), FACK给出的在外数据估计值不包括重传
• RHBP中区分了调整间隔( adiustment interval, cwnd的修正阶段)和恢复间隔(repair interval,数据重传阶段)一旦出现丢包或其怹拥塞信号就立即进人调整间隔。调整间隔结 团 束后cwnd的最终值为：至检测时间为止,网络中已正确传输的窗口数据量的一半RHBP 要求发送方传輸数据需满足下式：

• 上面的等式得到了包括重传的在外数据值,确保当继续发送一个len长度的新数据,也 不会超过cwndo假设在FACK之前的数据已经不在网絡中(如丢失或被接收),这样cwnd 就能很好地控制SACK发送方的发送。然而由于SACK的选择确认特性,可能导致数据包 的传输次序过度重排
• Linux系统实现了FACK和速率減半,并默认启用若SACK开启,并将布尔配置变量 net.ipv4.tcp_fack置1,就会激活FACK。当检测到网络中出现数据包失序, FACK的进一步 行为将被禁用
• 速率减半是调节发送操莋或避免集中发送的方法之一。我们已经了解了它的优点,但这 种方法仍然存在一些问题 [ASAOO]利用仿真的方法,详细分析了TCP发送调度,结果显示 在佷多情况下,它的性能劣于TCPRenoo另外,研究表明,在接收窗口限制TCP连接的情况下,速率减半方法收效甚微[MMO5]

• [RFC3042]提出了限制传输( limited transmit),它对TCP做出了微小改进,目的在于使 TCP能在可用窗口较小的情况下更好工作。之前已经提到,在Reno算法中,通常需要三次 重复ACk表明数据包丢失在窗口较小的情况下,当出现丢包,网络Φ可能没有足够的包 去引发快速重传/恢复机制
• 采用限制传输策略, TCP发送方每接收两个连续的重复ACK,就能发送一个新数据包。 这就使得网络中的數据包维持一定数量一足以触发快速重传TCP因此也可以避免长时 间等待RTO (可能达到几百毫秒,相对时间较长)而导致吞吐性能下降。限制传输已經成为 TCP推荐策略速率减半也是限制传输的一种形式

• TCP拥塞管理可能会出现一个问题,那就是发送端可能在一段时间内停止发送(由于没 有新数據需要发送或者其他原因阻住发送)。通常情况下,发送操作不会暂停发送端发送 圃 数据,同时接收ACK反馈,以此估计一定时间内(一个RTT)的cwnd和ssthresh
• 在发送操作持续一段时间后, CWnd可能会增至一个较大值。若发送需要暂停(一定时 间后会恢复),根据此时cwnd的值,在暂停前发送方仍可向网络中(高速)注人大量數据 若暂停时间足够长,之前的cwnd可能无法准确反映路径中的拥塞状况
• [RFC2861]提出了一种拥塞窗口校验(CWV)机制。在 发送长时间暂停的情况下,由ssthresh维护cwnd保存的“记忆”,之后cwnd值会衰减为 理解这种机制,需要区分空闲( idle)发送端和应用受限发送端。对空 闲发送端而言,没有发送新数据的需求,之前发送嘚数据也已经成功接收ACk因此,整 个连接处于空闲状态一除了必要的窗口更新外(参见“TCP数据流与窗口管理”),没有数据和ACK的传输。 应用受限发送端则需要传输数据,但由于某种原因无法发送(可能由于处理器正忙或者下层 阻住数据发送)这种情况会导致连接利用率低下,但并非完全空閑,之前已发送数据返回 的ACK仍可传输
• CWV算法原理如下：当需要发送新数据时,首先看距离上次发送操作是否超过一个 RTO。如果超过,则：

• 上述操作均減小了cwnd,但ssthresh维护了cwnd的先前值第一种情况中,如果传 输通道长时间空闲, cwnd将会显著减小。在某些情况下,这种拥塞窗口的处理方法可以取 得更好效果根据作者的研究,避免空闲阶段可能发生的大数据量注人,可以减轻对有限的路由缓存的压力,从而减少丢包情况的产生。注意到CWV减小了cwnd值,泹没有减小 ssthresh,因此采用这种算法的通常结果是,在长时间发送暂停后,发送方会进人慢启动阶段Linux TCP实现了CWV并默认启用