万字详文：TCP 拥塞控制详解 _TCP

作者：engleliu，腾讯 PCG 开发工程师

本文主要介绍 TCP 拥塞控制算法，内容多来自网上各个大佬的博客及《TCP/IP 详解》一书，在此基础上进行梳理总结，与大家分享。因水平有限，内容多有不足之处，敬请谅解。

一、TCP 首部格式在了解 TCP 的拥塞控制之前，先来看看 TCP 的首部格式和一些基本概念。
TCP 头部标准长度是 20 字节。包含源端口、目的端口、序列号、确认号、数据偏移、保留位、控制位、窗口大小、校验和、紧急指针、选项等。

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TCP 首部格式
1.1 数据偏移（Data Offset）该字段长 4 位，单位为 4 字节。表示为 TCP 首部的长度。所以 TCP 首部长度最多为 60 字节。
1.2 控制位目前的 TCP 控制位如下，其中 CWR 和 ECE 用于拥塞控制，ACK、RST、SYN、FIN 用于连接管理及数据传输。

CWR：用于 IP 首部的 ECN 字段 。ECE 为 1 时，则通知对方已将拥塞窗口缩小 。ECE：在收到数据包的 IP 首部中 ECN 为 1 时将 TCP 首部中的 ECE 设置为 1，表示从对方到这边的网络有拥塞 。URG：紧急模式ACK：确认PSH：推送，接收方应尽快给应用程序传送这个数据 。没用到RST：该位为 1 表示 TCP 连接中出现异常必须强制断开连接 。SYN：初始化一个连接的同步序列号FIN：该位为 1 表示今后不会有数据发送，希望断开连接 。

1.3 窗口大小（Window）该字段长度位 16 位，即 TCP 数据包长度位 64KB 。可以通过 Options 字段的 WSOPT 选项扩展到 1GB 。
1.4 选项（Options）受 Data Offset 控制，长度最大为 40 字节。一般 Option 的格式为 TLV 结构：

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常见的 TCP Options 有，SACK 字段就位于该选项中。：

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TCP Options
1.5 SACK 选项SACK 包括了两个 TCP 选项，一个选项用于标识是否支持 SACK，是在 TCP 连接建立时发送；另一种选项则包含了具体的 SACK 信息。

SACK_Permitted 选项，该选项只允许在 TCP 连接建立时，有 SYN 标志的包中设置，也即 TCP 握手的前两个包中，分别表示通信的两方各自是否支持 SACK 。

TCP SACK-Permitted Option:Kind: 4Length: Variable+----------+----------+| Kind=4| Length=2 |+----------+----------+

SACK(选择性确认) 选项位于 Options 中。该选项参数告诉对方已经接收到并缓存的不连续的数据块，发送方可根据此信息检查究竟是哪些块丢失，从而发送相应的数据块。受 TCP 包长度限制，TCP 包头最多包含四组 SACK 字段。

TCP SACK Option:Kind: 5Length: Variable+--------+--------+| Kind=5 | Length |+--------+--------+--------+--------+|Left Edge Of lst Block|+--------+--------+--------+--------+|Right Edge Of lst Block|+--------+--------+--------+--------+|...|+--------+--------+--------+--------+|Left Edge Of nth Block|+--------+--------+--------+--------+|Right Edge Of nth Block|+--------+--------+--------+--------+

SACK 的工作原理如下图所示，接收方收到 500-699 的数据包，但没有收到 300-499 的数据包就会回 SACK(500-700) 给发送端，表示收到 500-699 的数据。

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SACK 的工作原理
二、滑动窗口和包守恒原则2.1 滑动窗口为了解决可靠传输以及包乱序的问题，TCP 引入滑动窗口的概念。在传输过程中，client 和 server 协商接收窗口 rwnd，再结合拥塞控制窗口 cwnd 计算滑动窗口 swnd 。在 linux 内核实现中，滑动窗口 cwnd 是以包为单位，所以在计算 swnd 时需要乘上 mss（最大分段大小）。