簡介
擁塞指的是
在某段時間，若對網絡中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網絡性能就要變壞。這種情況就叫擁塞（congestion）。
TCP模塊任務：提供網絡利用率，降低丟包率，保證網絡資源對每條數據的公平性。---- 擁塞控制
標准文檔：RFC 5681，介紹了擁塞控制4個部分：慢啟動（slow start）、擁塞避免（congestion avoidance）、快速重傳（fast retransmit）和快恢復（fast recovery）。
擁塞控制for linux算法實現，有多種：reno算法、vegas算法、cubic算法等。部分或全部實現。
查看方式(for Ubuntu 14)：
$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control
cubic
我的PC是采用cubic算法。
術語介紹
擁塞控制最終受控變量：發送窗口（SWND，Send Window）。也就是說，擁塞控制算法最終是通過控制SWND大小，來進行擁塞控制的。
發送窗口
在發送端發送緩存，存在4種類型數據，其中，發送窗口SWND是指（2）和（3）
（1）已經發送並且對端確認（Sent/ACKed）---------------發送窗外 緩沖區外
（2）已經發送但未收到確認數據（Sent/UnACKed）----------發送窗內 緩沖區內
（3）允許發送但尚未發送的數據（Unsent/Inside）---------發送窗內 緩沖區內
（4）未發送暫不允許（Unsent/Outside）-----------------發送窗外 緩沖區內
發送緩存4種類別數據的示意圖
接收窗口
接收窗口 指的是TCP報文頭窗口字段，用於告訴發送端自己當前接收緩存大小。
發送者最大段大小 SMSS
MSS(Maximum Segment Size) TCP最大報文段長度（RFC 879），指的是每一個TCP報文段中的數據字段的最大長度。
TCP報文段 = 數據字段 + TCP首部（20~40Byte）
MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) + sizeof(IPHDR)
MTU：最大傳輸單元（含TCP頭部、IP頭部）；TCPHDR：TCP報文頭；IPHDR：IP報文頭。
MSS與MTU含義見下圖：
發送者最大段大小，稱為SMSS（Sender Maximum Segment Size）。
如何通告MSS?
MSS的默認值是536byte，因此對端應能接受報文段長度是536 + 20（TCP固定首部） = 556byte的TCP報文。如果想要改變MSS，就需要在TCP連接時，通過TCP報文頭可變長的選項（option）字段（1byte類型+1byte長度+不定長內容），告知對端。
注意：MSS是設置好值后，再通告對方，而非與對方協商。
SWND大小的影響
如果SWND太小，會引起明顯的網絡延遲；反之，如果SWND太大，則容易導致網絡擁塞。
既然接收窗口RWND可以控制發送窗口，為何還需要擁塞控制，而不直接用接收窗口進行控制？
雖然接收方可以通過接收通告窗口（RWND），來控制發送端SWND。但是接收方並不知道網絡擁塞情況，無法針對網絡情況進行控制。因此，發送端引入了一個稱為擁塞窗口的（Congestion Windo, CWND）的狀態變量。實際的SWND值是RWND和CWND中較小者。
慢啟動和擁塞避免
慢啟動
TCP連接建立OK后，CWND初值IW（Initial Window），大小2~4SMSS -- 發送端最多能發送IW bytes數據。
此后，發送端每收到接收端的一個確認，其CWND就按下式增加：
CWND += min(N, SMSS), 其中，N是此次確認中包含的之前未被確認的字節數 （1）
這樣，CWND將按指數形式擴大，這就是慢啟動。
慢啟動算法理由：TCP模塊剛開始發送數據時，並不知道網絡的實際情況，需要一種試探的方式平滑地增加CWND的大小。
慢啟動門限
如果不施加其他手段，慢啟動必然使得CWND很快膨脹（慢啟動並不慢），並最終導致網絡擁塞。而慢啟動門限（slow start threadhold size, ssthresh），就是這樣一個限制：
當cwnd < ssthresh時，使用慢開始算法；
當cwnd > ssthresh時，停止慢開始算法，改用擁塞避免算法；
當cwnd = ssthresh時，既可以用慢開始算法，也可以用擁塞避免算法；
ssthresh初始值16。只要判斷出現擁塞時，慢開始門限設為出現擁塞時發送窗口swnd的一半（但不能<2），然后把擁塞窗口cwnd重新設為1，執行慢開始算法。
目的：迅速減少主機發送到網絡中的分組數，使得發生擁塞時路由器有足夠時間把隊列中積壓的分組處理完畢。
擁塞避免算法
CWND按線性方式增加，從而減緩其擴大。RFC 5681提到2種實現方式：
1）每個RTT時間內，按（1）式計算新的CWND，而不論該RTT時間內發送端收到多少個確認。
2）每收到一對新數據的確認報文段，就按式（2）來更新CWND。
CWND += SMSS * SMSS / CWND （2）
下圖粗略地描述了慢啟動和擁塞避免發生的時機和區別。此外，我們假設當前ssthresh = 16SMSS大小（實際遠不止這么大）
慢啟動和擁塞避免，都是發送端在未檢測到擁塞時，所采用的積極擁塞避免的方法。下面介紹擁塞發生時（可能發生在慢啟動階段或擁塞避免階段）擁塞控制的行為。
發送端如何判斷擁塞發生？
- 傳輸超時，或者說TCP重傳定時器溢出； ---- 擁塞避免
- 接收到連續3個重復的確認報文； ---- 快速重傳，快速恢復
擁塞控制對這兩種情況有不同的處理方式。第一種情況，仍然使用慢啟動和擁塞避免；第二種情況，則使用快速重傳和快速回復（如果真的發生擁塞）。
如果發送端檢測到擁塞發生是由於傳輸超時，即上述第一種情況，那么它將執行重傳並做如下調整：
ssthresh = max(FlightSize / 2, 2 * SMSS) （3）
CWMD <= SMSS
其中，FlightSize是已經發送但未收到確認的字節數。這樣調整后，CWMD將小於SMSS，那么必然小於新的慢啟動門限值ssthresh（根據式（3），ssthresh一定不小於SMSS的2倍），故而擁塞控制再次進入慢啟動階段。
何為TCP超時重傳？
TCP服務必須能夠重傳超時時間內未收到確認TCP報文段。為此，TCP模塊為每個TCP報文段都維護一個重傳定時器，該定時器在TCP報文段第一次被發送時啟動。如果超時時間內未收到對方的應答，TCP模塊將重傳TCP報文段並重置定時器。
所謂超時，是指定時器 > 最大往返時間RTT。
RTT是指一個數據報發送到目的地，然后到發送方收到確認所需的時間，這是測量RTT。發送報文和確認報文並非數量上的一一對應，可能發送多次，確認一次，也可能是一一對應。
快速重傳和快速恢復
如何通過接收到重復的確認報文段，判斷網絡是否真的發生擁塞？
發送端接收到重復的確認報文段可能情形：TCP報文段丟失，接收端收到亂序TCP報文段並重排等。
擁塞控制算法需要判斷當收到重復的確認報文段時，網絡是否真的發生了擁塞，或者說TCP報文段是否真的丟失了。具體做法：
發送端如果連續收到3個重復的確認報文段，就認為擁塞發生了。然后它啟用快速重傳和快速恢復算法來處理擁塞，過程如下：
1）當收到第3個重復的確認報文段時，按（3）式計算ssthresh，然后立即重傳丟失的報文，而不是等到重傳計時器超時，這稱為快速重傳。並按式（4）設置CWND
CWND = ssthresh + 3 * SMSS （4）
2）每次收到1個重復的確認時，設置CWND = CWND + SMSS，而非從慢開始算法的cwnd=1開始。此時，發送端可以發生新的TCP報文段（如果新的CWND允許的話）
3）當收到新數據的確認時，設置CWND = ssthresh（ssthresh是新的慢啟動門限值，由第一步計算得到）
步驟1）稱為快速重傳，步驟2）3）稱為快速恢復。快速重傳和快速恢復完成之后，擁塞控制將恢復到擁塞避免階段。這點由第3）步操作可得知。
總結
擁塞控制對象：發送窗口SWND. SWND <= min(RWND, CWND)
網絡出現超時 => 采用慢開始算法 + 擁塞避免算法；
網絡出現重傳 => 快速恢復算法；
參考
[1]謝希仁. 計算機網絡.第5版[M]. 電子工業出版社, 2008.
[2]游雙. Linux高性能服務器編程[M]. 機械工業出版社, 2013.
[3]Postel J . Transmission control protocol; rfc793[J]. Rfc, 1981.(RFC793)
[4]Тезисы, Статусдокумента, Авторскиеправа, et al. RFC 5681 TCP Congestion Control. 1996.(RFC5681)