TCP 拥塞窗口的两种主要计算情景

在考研计算机网络的题目中，对 TCP 拥塞控制的考察主要围绕拥塞窗口（cwnd）的变化展开。其核心在于理解 TCP 的两个主要阶段：慢启动（Slow Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）。

核心概念

在深入两种情景之前，我们先回顾一下关键概念：

这种视角将一个 RTT（Round-Trip Time，往返时间）视为一个整体操作单位，关注在每个 RTT 之后拥塞窗口的整体变化。这在分析慢启动阶段的指数增长时尤为常见。

核心思想：在慢启动阶段，每经过一个 RTT，拥塞窗口 cwnd 就会翻倍。
适用场景：
- 计算 TCP 连接建立初期，经过 N 个 RTT 后 cwnd 的大小。
- 题目信息较为简化，不涉及对单个 ACK 的精细分析。
解题思路：
1. 初始状态：TCP 连接刚建立时，cwnd 通常初始化为 1 个 MSS。
2. 指数增长：只要 cwnd 小于慢启动阈值 ssthresh，就执行慢启动算法。
  - 第 1 个 RTT 后，cwnd = 1 * 2 = 2 MSS
  - 第 2 个 RTT 后，cwnd = 2 * 2 = 4 MSS
  - 第 N 个 RTT 后，cwnd = 2^N MSS
3. 触及阈值：当 cwnd 增长到大于或等于 ssthresh 时，TCP 将进入拥塞避免阶段。

例题：假设初始 ssthresh 为 16 MSS，cwnd 初始为 1 MSS。问经过 4 个 RTT 后，cwnd 是多少？

TIP

2016 年 Q41

原题情景: H3 收到的第 8 个确认段所通告的接收窗口是多大？此时 H3 的拥塞窗口变为多少？H3 的发送窗口变为多少？

这种视角关注每当发送方收到一个对数据报文的确认（ACK）时，cwnd 的精细变化。它能更准确地描述拥塞窗口的增长过程，尤其是在拥塞避免阶段。

核心思想：
- 慢启动阶段：每收到 1 个 ACK，cwnd 增加 1 个 MSS。因为在一个 RTT 内会收到前一个窗口所有报文的 ACK，这同样会导致窗口大小翻倍的效果。
- 拥塞避免阶段：每收到 1 个 ACK，cwnd 增加 MSS/cwnd (即 MSS * (MSS / cwnd_bytes))。这确保了在一个 RTT 内（即收到一个窗口大小的 ACK 后），cwnd 总共只增加约 1 个 MSS，实现线性增长。
适用场景：
- 需要精确计算拥塞避免阶段 cwnd 的增长。
- 题目涉及到非整数个 RTT 或者对 ACK 的响应有特殊说明。
- 分析从慢启动到拥塞避免的平滑过渡。
解题思路：
1. 判断阶段：首先根据当前的 cwnd 和 ssthresh 判断 TCP 处于慢启动还是拥塞避免阶段。
2. 计算增长：
  - 慢启动：new_cwnd = old_cwnd + 1 MSS (每收到一个 ACK)。
  - 拥塞避免：new_cwnd = old_cwnd + MSS/cwnd (每收到一个 ACK)。
3. 处理拥塞事件：当发生网络拥塞（如超时或收到 3 个重复 ACK）时，需要更新 ssthresh 和 cwnd 的值，并可能切换回慢启动阶段。

例题：当 cwnd 为 10 MSS，ssthresh 为 8 MSS 时，发送方连续发送 10 个报文段。当收到这 10 个报文段的 ACK 后，cwnd 变为多大？

解答：
- 判断阶段：因为 cwnd (10) > ssthresh (8)，所以 TCP 处于拥塞避免阶段。
- 计算增长：每收到一个 ACK，cwnd 增加 1/10 MSS。收到全部 10 个 ACK 后，总共增加 10 * (1/10 MSS) = 1 MSS。
- 最终结果：新的 cwnd = 10 MSS + 1 MSS = 11 MSS。

这两种情景并非相互排斥，而是对 TCP 拥塞控制机制不同层面的解读。

在备考时，需要根据题目的具体条件灵活选用合适的模型。如果题目只给出 RTT 轮次，通常使用情景一的简化模型；如果题目涉及到具体的 ACK 回复或者拥塞避免阶段的计算，则必须采用情景二的精细模型。