几种TCP拥塞控制算法的分析
拥塞控制算法是实现TCP的重要组件，目前已有非常多的TCP Congestion Control Algorithm. 不同的算法有自己的优化特性和工作区域。首先，本文简单介绍一下TCP拥塞避免算法的工作原理；其次，介绍Reno, Vegas, Veno, Westwood 和Cubic的算法实现；最后，本文简单分析tcp_boost算法的工作框架。
1. TCP拥塞避免算法的工作原理
在不考虑FACK(selective ACK)的情况下[注1]，tcp congestion control一般包含三个阶段： slow start, congestion avoidance 和fast recovery. 通俗的说，slow start是指数级增长窗口（snd_cwnd），直到slow start threshold (ssthresh) ，congestion avoidance是加性增长窗口直到丢包（3 dupACK, 进入fast recovery）或者超时（超过RTO, 进入slow start）, fast recovery是在丢包后，重设snd_cwnd与ssthresh. 其工作状态机如图1所示：
图1：TCP拥塞控制状态机
2. Reno, Vegas, Veno, Westwood 与Cubic
Reno是基本的AIMD(加性增乘性减算法)，在slow start阶段指数增长窗口，snd_cwnd = snd_cwnd + 1 (#per ack), 在congestion avoidance阶段线性增长窗口， snd_cwnd = snd_cwnd + 1/snd_cwnd (#per ack)。进入fast recovery后，ssthresh = snd_cwnd/2, snd_cwnd = ssthress(+ 3)[注2]。
Vegas在slow start阶段仍然是指数增长窗口（Reno slow start），在进入congestion avoidance后会做判断。其判断依据是N_que (中间转发设备上的队列大小)。N_que的计算逻辑是，发送窗口snd_cwnd减去带宽（近似值，利用snd_cwnd /RTT_actual来获得）*RTT(无队列时的值， 可使用监测的min RTT)。公式如下：
Vegas的思路是通过调控snd_cwnd来控制N_que的大小，使其满足:
在算法实现时， 时, snd_cwnd ++, 时，snd_cwnd.
Veno是结合Vegas与Reno两种算法的特性来进行拥塞控制。在slow start是Reno slow start 方法。在congestion avoidance阶段，利用N_que来做判断：
在进入fast recovery后，同样利用来做判断：
Westwood算法基于Reno的slow start和congestion avoidance阶段算法，但是其在进入fast recovery后，会根据带宽来做判断。不同于Vegas, Veno 的粗略的带宽计算方法，Westwood利用snd_una (TCP socket中数据已经确认的左边界窗口，注意是其字节值，所以最后需要除去mss_cache)来计算带宽。针对ACK Compression情况，为避免带宽过度波动，做了平滑处理（BWE = alpha * BW(k-1) + (1-alpha) * BW(k)）。根据计算后的带宽，在fast recovery做以下赋值:
PS: 在Westwood算法的实现时，有一个小trick。以往的congestion algorithm在设置fast recovery算法时一般是通过设置struct tcp_congestion_ops 里的ssthresh函数。在实际运行中，通过回调该函数求出ssthresh值后，snd_cwnd根据ssthresh来设置新值，一般为ssthresh+3[注2]。而westwood通过hook TCP event的CA_EVENT_COMPLETE_CWR, 来精确的设置snd_cwnd与ssthresh的值。
PS：Westwood是在tcp_ca_event为 CA_EVENT_COMPLETE_CWR时设置的窗口值。这个时候，丢失的包已经重传了，发送窗口已经减半了（其利用Reno ssthresh的方法）。
fast recovery阶段要结束， 即将进入congestion avoidance。因此还是比较迷的，不知道为啥要在这里设置，而不是在ssthresh方法里设置。
Cubic算法是linux默认的tcp congestion avoidance算法。其原理非常简单，利用三次方函数来控制窗口的增长。在slow start阶段，Cubic实现hystart算法，其比Reno slow start 算法的增长速度更快。其在congestion avoidance阶段的增长函数如下所示：
C取值为0.4（在源码的bic_scale设置）。在代码实现时，每次在完成fast recovery后，都会重新设计增长函数(new epoch start, t=0)，另求新的K值，公式为
控制snd_cwnd增长速率的手段，是通过设定tcp_cong_avoid_ai( socket, w, acked)里的w值来控制增长速率，使得snd_cwnd = snd_cwnd + 1/w (per ack) ≈snd_cwnd + snd_cwnd/w (per RTT)。在fast recovery阶段，snd_cwnd ≈ 0.7 * snd_cwnd(0.7为源码中的beta/1024)。
注1：实现selective ACK的算法为SACK，但是由于selective ACK需要接受端的TCP协议栈做修改，所以一般的TCP拥塞控制算法不对selective ACK做处理。SACK与Reno ack（非SACK）在进入fast recovery时没有太多区别。FACK会撤销fast recovery，一般客户端实现比较少。
注2：关于fast recovery阶段snd_cwnd最终是如何得到的，整个过程非常复杂。本结论参考《Linux 网络体系结构: Linux内核中网络协议的设计与实现》421页的论述。
注 2:关于fast recovery阶段，可以参考我下一篇博客。