拥塞窗口（cwnd）与慢启动阈值（ssthresh）详解

1. 拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）

  • 定义：
    发送方维护的一个变量，表示当前允许一次性发送的未确认数据量（单位：MSS，最大报文段大小）。

  • 例如：cwnd=4 表示可以连续发送4个MSS的数据，无需等待ACK。

  • 作用：

  • 动态调整发送速率，避免网络过载（拥塞控制的核心）。

  • 与接收方的通告窗口（rwnd）共同决定实际发送窗口：
    **实际窗口 = min(cwnd, rwnd)**。

  • 初始值：

  • 通常初始为 1 MSS（如RFC 5681建议），现代Linux内核可能初始为 10 MSS。

2. 慢启动阈值（Slow Start Threshold, ssthresh）

  • 定义：
    一个动态阈值，用于区分慢启动阶段和拥塞避免阶段。

  • 当 cwnd < ssthresh 时，TCP进入指数增长的慢启动阶段。

  • 当 cwnd >= ssthresh 时，TCP转为线性增长的拥塞避免阶段。

  • 初始值：

  • 通常设为一个大值（如 65535字节），在首次拥塞事件后更新为：
    **ssthresh = max(已发送未确认数据量 / 2, 2 MSS)**。

3. 两者协同工作流程

  1. 连接建立时：
  • cwnd = 1 MSS，ssthresh = 初始大值（如Linux默认 10 MSS）。
  1. 慢启动阶段（cwnd < ssthresh）：
  • 每收到一个ACK，cwnd += 1 MSS → 指数增长（1→2→4→8…）。
  1. 拥塞避免阶段（cwnd >= ssthresh）：
  • 每RTT（往返时间）内，cwnd += 1 MSS → 线性增长（如8→9→10…）。
  1. 拥塞发生时：
  • 超时重传：重置 cwnd = 1 MSS，ssthresh = cwnd/2，重新慢启动。
  • 快速重传（3个重复ACK）：ssthresh = cwnd/2，cwnd = ssthresh + 3 MSS，进入快速恢复。

4. 关键区别

特性 拥塞窗口（cwnd） 慢启动阈值（ssthresh）
作用 控制当前发送速率 划分慢启动与拥塞避免的边界
初始值 1 MSS 或 10 MSS 大值（如Linux默认10 MSS）
变化触发 每ACK（慢启动）或每RTT（拥塞避免） 仅在拥塞事件发生时更新
调整规则 指数/线性增长 拥塞时设为当前cwnd的一半

5. 实例说明

假设初始 cwnd=1 MSS，ssthresh=8 MSS：

  1. 慢启动阶段：
  • ACK1 → cwnd=2
  • ACK2 → cwnd=4
  • ACK4 → cwnd=8（达到ssthresh）
  1. 拥塞避免阶段：
  • 每RTT → cwnd=9 → cwnd=10…
  1. 发生拥塞（丢包）：
  • 设新ssthresh=cwnd/2=5，cwnd=1，重新慢启动。

6. 为什么需要这两个参数？

  • cwnd：实时控制发送速率，避免压垮网络。
  • ssthresh：记录历史拥塞点，避免重复触发慢启动的“激进”增长。

通过两者的配合，TCP在高吞吐和低拥塞之间取得平衡。

在TCP拥塞控制机制中，当拥塞窗口（cwnd）小于阈值（ssthresh, 慢启动阈值）时，拥塞窗口会以指数增长（Exponential Growth）的方式快速扩大。这一阶段称为慢启动（Slow Start），尽管名字叫“慢启动”，实际窗口增长非常迅速。

关键过程解析

  1. 慢启动阶段（Slow Start）
  • 条件：cwnd < ssthresh
  • 窗口增长规则：每收到一个ACK，cwnd增加 1个MSS（最大报文段大小）。
  • 例如：初始cwnd=1，接下来的窗口变化为：1 → 2 → 4 → 8 → 16…（指数增长）。
  • 目的：快速探测网络可用带宽。
  1. 拥塞避免阶段（Congestion Avoidance）
  • 条件：cwnd >= ssthresh
  • 窗口增长规则：改为线性增长（每RTT增加1个MSS）。
  1. 触发拥塞的响应
  • 超时重传（Timeout）：直接重置cwnd=1，ssthresh减半，重新进入慢启动。
  • 重复ACK（Fast Retransmit）：触发快速重传，cwnd和ssthresh调整为当前值的一半，进入快速恢复（Fast Recovery）。

图示窗口增长

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拥塞窗口 (cwnd)
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│线性增长（拥塞避免）
│↗
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│↗
│↗
│↗
│↗ 指数增长（慢启动）
│↗
└─────────────────────────▶ 时间
ssthresh阈值

为什么叫“慢启动”？

  • 历史原因：相比最初的TCP实现（直接发送整个窗口数据），这种“逐步试探”的方式显得“慢”。
  • 实际行为：窗口增长是指数级的（比线性更快），但初始窗口较小（如cwnd=1）。

总结

  • cwnd < ssthresh → 指数增长（慢启动）
  • cwnd >= ssthresh → 线性增长（拥塞避免）
  • 核心目标：在避免拥塞的前提下，高效利用网络带宽。