第十二问：TCP慢起动详细解释
TCP 的 慢启动（Slow Start）是其 拥塞控制 的一部分，旨在防止网络拥塞。在连接建立初期，TCP 会逐步增加发送的数据量，以探测网络的可用容量，而不是立即发送大量数据，从而避免网络过载。
慢启动的核心目标
- 逐步探测网络能力：初始阶段假设网络可能拥塞，数据发送速率逐步增加，确保网络不被瞬时大流量压垮。
- 动态调整发送速率：通过接收方的 ACK 确认来调整拥塞窗口（Congestion Window, cwnd）。
慢启动的原理
TCP 的发送速率由以下两个窗口共同决定：
- 拥塞窗口（cwnd）：
- 发送方维护的窗口，用于限制自身发送数据的速度。
- 初始值较小，通常为一个 MSS（最大分段大小）。
- 接收窗口（rwnd）：
- 接收方通告的窗口大小，表示其接收缓冲区剩余容量。
实际发送窗口大小是两者中的较小值：
发送窗口大小=min(cwnd,rwnd)\text{发送窗口大小} = \min(\text{cwnd}, \text{rwnd})
慢启动的过程
1. 初始状态
- 当连接建立后，
cwnd的初始值通常是 1 个 MSS（RFC 3390 修改后，可能初始为 2-4 MSS）。
2. 指数增长阶段
- 每收到一个 ACK，
cwnd增加 1 个 MSS。 - 发送方可以在一个 RTT 内发送的数据量大致翻倍。
3. 到达慢启动阈值（ssthresh）
ssthresh是一个拥塞窗口的阈值，当cwnd达到ssthresh时，进入 拥塞避免阶段。- 在拥塞避免阶段，
cwnd增加方式改为线性增长。
4. 拥塞发生
- 如果发生数据丢失或网络拥塞（未收到 ACK 或收到重复 ACK），TCP 会减小
cwnd，重新进入慢启动。
慢启动示例
假设：
- MSS = 1KB
- RTT = 100ms
- 初始
cwnd = 1 MSS ssthresh = 8 MSS
以下是慢启动过程：
| RTT | 发送数据量（cwnd） | 累计发送数据量 |
| 1 | 1 KB | 1 KB |
| 2 | 2 KB | 3 KB |
| 3 | 4 KB | 7 KB |
| 4 | 8 KB | 15 KB |
当 cwnd = 8 MSS 时，到达 ssthresh，TCP 进入拥塞避免阶段。
慢启动示意图
慢启动与网络拥塞的关系
- 慢启动初期：
- 网络负载较小，指数增长的速度不会造成拥塞。
- 到达阈值后：
- 网络流量接近容量，进入线性增长的拥塞避免阶段。
- 拥塞恢复：
- 数据丢失（丢包）或超时是网络拥塞的信号，TCP 会重置
cwnd，并降低ssthresh，再次尝试慢启动。
关键机制
- 慢启动阈值（ssthresh）：
- 动态调整的参数，通常为发生拥塞时
cwnd的一半。 - 决定何时结束慢启动，进入拥塞避免阶段。
- 丢包的处理：
- 超时重传：
cwnd重置为 1 MSS，重新开始慢启动。
- 快速重传和快速恢复：
- 如果检测到轻微拥塞（如重复 ACK），
cwnd降低但不回到初始值。
- RTT 的作用：
- RTT 影响慢启动的速度：RTT 越短，ACK 返回越快，
cwnd增长越快。
常见问题
- 慢启动的优缺点：
- 优点：防止初始阶段的网络拥塞。
- 缺点：初始阶段数据传输速度较慢。
- 如何优化慢启动？
- TCP 快速打开（TCP Fast Open）：减少慢启动的影响，加快初始数据传输。
- 动态调整 ssthresh：根据历史传输记录优化
ssthresh设置。
- 慢启动适用的场景？
- 主要适用于新连接建立或网络发生拥塞后的恢复阶段。
总结
TCP 的慢启动机制通过指数增长发送速率，动态探测网络容量，避免初始阶段的拥塞风险。它与拥塞避免和快速恢复机制共同构成了 TCP 的拥塞控制策略，是 TCP 实现高效可靠传输的重要基础。
