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隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的工作依賴網(wǎng)絡(luò)完成，基于互聯(lián)網(wǎng)的實時通信系統(tǒng)的質(zhì)量和實時性也很大程度也依賴于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。然而，在Internet的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，擁塞的發(fā)生是其固有的屬性。

網(wǎng)絡(luò)擁塞是指用戶對網(wǎng)絡(luò)資源（包括鏈路帶寬、存儲空間和處理器處理能力等）的需求超過了固有的處理能力和容量, 相比UDP，TCP自身具有擁塞控制機制，并且需要保障數(shù)據(jù)可靠傳輸，這會對基于TCP的音視頻實時傳輸造成一定的困擾。

本文將深入講解TCP的擁塞控制機制以及如何基于TCP傳輸來設(shè)計一個實時音視頻系統(tǒng)。

PART?01

TCP擁塞控制簡介

TCP/IP協(xié)議棧開始廣泛運行后，網(wǎng)絡(luò)開始遭受擁塞崩潰；即數(shù)據(jù)發(fā)送主機會以建議允許的速度將其數(shù)據(jù)包發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，當某些路由器發(fā)生擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包被丟棄；對于TCP這種有重傳機制的傳輸協(xié)議，當發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時，重傳數(shù)據(jù)將延長數(shù)據(jù)到達的時間；同時，高頻率的重傳，也將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞得不到緩解，從而引發(fā)更多的擁塞。

為了避免這類問題，1980年代后期，TCP擁塞控制被引入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。

從廣義上講，TCP擁塞控制的是讓每個源確定網(wǎng)絡(luò)中有多少可用容量，以便它知道可以安全傳輸多少數(shù)據(jù)包，防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)中的路由或者鏈路不至于過載。

在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生擁塞時，擁塞控制減少向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，防止造成惡性循環(huán)；同時在網(wǎng)絡(luò)空閑時，提高發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)資源。

當然，確定可用網(wǎng)絡(luò)容量并非易事，不斷有新的TCP連接的加入和減少；更糟糕的是，可用帶寬會隨著時間的推移而變化，這意味著任何給定的源都必須能夠調(diào)整它在傳輸中的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

PART?02

TCP擁塞控制算法分類

理論上，擁塞控制有兩種實現(xiàn)方式：

端到端擁塞控制：在這種擁塞控制方法中，由發(fā)送端自己來判斷是否擁塞，然后調(diào)整傳輸速率；
網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制：由網(wǎng)絡(luò)中的路由器來告訴發(fā)送方，網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。

通過網(wǎng)絡(luò)層反饋擁塞信息實現(xiàn)擁塞控制的方法，需要得到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持，改造底層硬件；現(xiàn)在常用的TCP協(xié)議大都采用的是端到端擁塞控制，即由發(fā)送端自己來判斷是否擁塞；若發(fā)送端檢測到這種現(xiàn)象，就應(yīng)該降低發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，若沒有，則可以慢慢提高速率。擁塞控制算法需要解決以下三個問題：

TCP如何限制數(shù)據(jù)的發(fā)送速率；
TCP如何檢測網(wǎng)絡(luò)中是否擁塞；
TCP采用什么算法來調(diào)整速率（什么時候調(diào)整，調(diào)整多少）。?

TCP擁塞控制算法發(fā)展的過程當中出現(xiàn)了以下幾種不一樣的思路：

基于丟包的擁塞控制：將丟包視為出現(xiàn)擁塞，采取緩慢探測的方式，逐漸增大擁塞窗口，當出現(xiàn)丟包時，將擁塞窗口減少，如Tahoe、Reno、BIC-TCP、Cubic等；
基于時延的擁塞控制：將時延增長視為出現(xiàn)擁塞，延時增長時增大擁塞窗口，延時減少時減少擁塞窗口，如Vegas、Westwood等；
基于鏈路容量的擁塞控制：實時測量網(wǎng)絡(luò)帶寬和時延，認為網(wǎng)絡(luò)上報文總量大于帶寬時延乘積時出現(xiàn)了擁塞，如BBR；
基于學(xué)習(xí)的擁塞控制：沒有特定的擁塞信號，而是借助評價函數(shù)，基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使用機器學(xué)習(xí)的方法造成一個控制策略，如Remy。

PART?03

常見TCP擁塞控制算法

TCP Reno

Reno算法所包含的慢啟動、擁塞避免和快速重傳、快速恢復(fù)機制，是現(xiàn)有的眾多基于丟包的擁塞控制算法的基礎(chǔ)。發(fā)送方維持一個叫做擁塞窗口cwnd（congestion window）的狀態(tài)變量和慢開始門限ssthresh狀態(tài)變量。ssthresh的用法如下：

當cwnd時，使用慢開始算法。

當cwnd>ssthresh時，改用擁塞避免算法。

當cwnd=ssthresh時，慢開始與擁塞避免算法任意。

（1）慢熱啟動算法 – Slow Start

連接建好的開始先初始化cwnd = 1，表明可以傳一個MSS大小的數(shù)據(jù)。

每當收到一個ACK，cwnd++; 呈線性上升。
每當過了一個RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指數(shù)上升。

（2）擁塞避免算法 – Congestion Avoidance

當cwnd >= ssthresh時，就會進入“擁塞避免算法”。算法如下：

收到一個ACK時，cwnd = cwnd + 1/cwnd
當每過一個RTT時，cwnd = cwnd + 1

（3）擁塞狀態(tài)算法 – Fast Retransmit

Reno在收到3個duplicate ACK時就開啟重傳，而不用等到RTO超時。擁塞發(fā)生時：

cwnd = cwnd/2
sshthresh = cwnd

（4）快速恢復(fù) – Fast Recovery

cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是確認有3個數(shù)據(jù)包被收到了）

重傳Duplicated ACKs指定的數(shù)據(jù)包；
如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1；
如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后進入擁塞避免算法。

BIC-TCP 和 CUBIC

TCP-Reno在大擁塞窗口環(huán)境下，由于一個數(shù)據(jù)包的丟失所帶來的窗口縮小要花費很長的時間來恢復(fù)（每次僅增加1），這樣，帶寬利用率不可能很高且隨著網(wǎng)絡(luò)的鏈路帶寬不斷提升，這種弊端將越來越明顯。

為了改善Reno擁塞避免階段的表現(xiàn)，BIC-TCP提出這樣一個二分思想的：當出現(xiàn)丟包的時候，說明最佳窗口值應(yīng)該比這個值小，那么BIC就把此時的cwnd設(shè)置為max_win，把乘法減小后的值設(shè)置為min_win，然后BIC就開始在這兩者之間執(zhí)行二分思想--每次跳到max_win和min_win的中點。

BIC-TCP在高速網(wǎng)絡(luò)中具有良好的可擴展性、自身競爭流之間的公平性和低窗口振蕩的穩(wěn)定性。然而，BIC-TCP的擁塞控制窗口增長仍然可能會過大，特別是在短RTT或低速網(wǎng)絡(luò)下。此外，在擁塞窗口控制的幾個不同階段(二進制搜索增加、最大探測、Smax和Smin)增加了協(xié)議實現(xiàn)和性能分析的復(fù)雜性。

CUBIC是BIC-TCP的改進算法，CUBIC算法通過尋找一個新的窗口增長函數(shù)，三次方函數(shù)，在保持BIC-TCP的優(yōu)勢的同時(特別是它的穩(wěn)定性和可伸縮性)，同時簡化了窗口控制的復(fù)雜度。CUBIC窗口控制函數(shù)如下：

其中，W(t)是在時間t時，窗口的大小，C為CUBIC參數(shù)，t為上次減窗經(jīng)過的時間，K為上述函數(shù)在沒有進一步損失事件時將W增加到Wmax所需要的時間周期，當發(fā)生擁塞事件時，CUBIC將當前cwnd設(shè)置為Wmax * β，乘法減小系數(shù)；由此可知K是：

通過下圖可以看出，

當cwnd < Wmax. CUBIC在凸函數(shù)區(qū)域，即擁塞避免區(qū)間，cwnd的增長隨時間的增加而變小；
當cwnd>=Wmax. CUBIC在凹函數(shù)區(qū)域，即新的Wmax 探測區(qū)域，當距離上次發(fā)生擁塞事件越久，cwnd 增長越快。

TCPW (TCP Westwood)

基于丟包的擁塞控制方法把數(shù)據(jù)包的丟失解釋為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞，而假定鏈路錯誤造成的分組丟失是忽略不計的，然而在高速網(wǎng)絡(luò)中，這種假設(shè)是不成立的，當數(shù)據(jù)傳輸速率比較高時，或者在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，鏈路錯誤是不能忽略的。

此時的丟包并不一定代表網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。同時，基于丟包的擁塞控制方法傾向于填滿緩沖區(qū)，當瓶頸鏈路的緩沖區(qū)很大時，需要很長時間才能將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包排空，造成很大的網(wǎng)絡(luò)延時，這種情況稱之為緩沖區(qū)膨脹。

不同于基于丟包的擁塞控制，TCPW發(fā)送端監(jiān)控ACK報文的接收速率，進而估算當前連接可達到的數(shù)據(jù)發(fā)送速率（可用帶寬）。

當發(fā)送端檢測到丟包時（超時或者3個重復(fù)ACK），發(fā)送端根據(jù)估算的發(fā)送速率設(shè)置擁塞窗口大?。?/span>cwnd）和慢啟動閾值（ssthresh）。

TCPW評估當前采樣點的帶寬如下：

其中，dk 代表發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量，tk, tk-1 代表當前收到ACK包的時間和收到上一個ACK的時間；為了去除 ACK帶來的速率采樣噪聲，TCPW對采樣的速率應(yīng)用一個低通濾波器來獲得可用帶寬的低頻部分，得到如下的一個離散時間濾波器：

為了方便理解，假設(shè) tk – tk-1 是一個常量；當前的帶寬評估可以可以簡化為：

可以認為，當前評估帶寬是，之前評估帶寬和最近2次評估帶寬的一個平滑值；當發(fā)生ACK丟的情況，認為當前采樣時間的帶寬為0，可以看出，TCPW 會把當前帶寬認為是在上一個評估帶寬上做了一次乘法減小。

TCP-Westwood避免太過保守的減低窗口操作，與基于丟包的擁塞控制算法相比，TCP-Westwood更適合于無線鏈路類的TCP連接。TCPW早在1990年代末就提出了google BBR類似的想法，通過不斷的測量帶寬和最小RTT來估算網(wǎng)絡(luò)的容量，最終將發(fā)生數(shù)據(jù)收斂。

BBR

BBR是由Google設(shè)計，并于2016年發(fā)布的擁塞算法，以往大部分擁塞算法是基于丟包來作為降低傳輸速率的信號，而BBR基于模型主動探測。

因為最優(yōu)帶寬和延遲無法同時測量（btlBw的測量會造成存在網(wǎng)絡(luò)緩存增加RTT，而RTprop的測量要求網(wǎng)絡(luò)緩存為空），所以分別估計帶寬（btlBw）和延遲（RTprop），最后計算出cwnd。同時增加變量pacing rate（btlBw * 增益系數(shù)），用于控制發(fā)送端的發(fā)送速率，以解決發(fā)送端突發(fā)造成的網(wǎng)絡(luò)排隊問題。

TCP BBR一方面能夠提升丟包環(huán)境下的發(fā)送速率，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時，也能夠降低網(wǎng)絡(luò)鏈路buffer的使用率，從而降低傳輸延時。TCP BBR 不僅適合TCP場景，同時QUIC也使用了BBR作為擁塞控制算法。

PART?04

實時多媒體QoS與TCP擁塞控制

雖然現(xiàn)在的實時多媒體通訊大部分都是基于UDP協(xié)議來實現(xiàn)，但是也存在一些情況，需要通過TCP來傳輸音視頻；例如UDP端口屏蔽。相對于UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包，亂序， TCP網(wǎng)絡(luò)下的傳輸數(shù)據(jù)延時大，隊頭阻塞等問題，為實時音視頻傳輸也帶來了更大的挑戰(zhàn)。

實時多媒體的一些特點：