說到
tcp原理，一般的人談傳輸效率，也就是吞吐率，了解的人談公平性，以及收斂性。本篇博文講一下
tcp為什麼使用
aimd
策略，為什麼是收斂的？
1.公平性和收斂性
才接觸網路協議的人可能會問：為什麼要收斂和公平？
tcp不是傳輸可靠、夠快就行了嗎？
遠遠不夠，因為
tcp是端到端的，視窗增減也是試探性的
「自適應
」方式，網路是黑盒，這就有很多問題。你自己乙個人發包發得快，侵略性強，沒有太大問題。但是如果其他人也跟你一樣沒有節制的發包呢？這就會造成網路負載過重，以至於崩潰。公平性和收斂性的出發點就在這裡。讓每乙個
tcp傳送端盡可能地均分頻寬，同時減少丟包，減輕網路裝置的壓力。這其實是很難的
trade off
。tcp
視窗總是鋸齒狀地週期抖動，增長
-減小，不斷迴圈，這種探測頻寬的行為一定會造成丟包，只是或多或少的差別而已。
舉個例子：你現在看動漫《
fate/stay night ubw
1）。公平分配說起來容易，做起來難。怎麼保證完全均分？這就要靠丟包和延時變動來反映網路狀況。你的同學加入了，新建的
tcp連線會嘗試慢啟動，慢啟動其實不慢，視窗指數增長，緩衝速度快速增加，也就是說，他開始搶你的頻寬了。搶到一定時刻，一定會引起丟包，或者延時的急劇增長。這時候，基於丟包或者延時變動的
tcp減窗機制起作用了，你們兩個都開始減窗。你減一點，我減一點。這時候你會想：不對啊，我先開始的，速度早就漲上去了，我們兩個都減，他永遠趕不上我。那麼，開始談第二個問題。
2.aimd為什麼收斂
上面說到減窗，現在普遍的減窗策略是
「乘性減窗
」，英文對應
「md」
。比如你們固有的頻寬是
8m，一開始你自己全佔了，然後同學開始搶，慢啟動發包很快，於是，交換機快取扛不住了，丟包了。這時候你的吞吐率是
7m，同學的速率是
1m。你們兩個的
tcp察覺到丟包後，把速率各減去一半，你有
3.5m
，他有0.5m
。網路不擁塞了，沒有丟包，那就繼續增窗。該增多少呢？你的頻寬明顯佔優勢，同學有沒有可能獲得比你更高的速率呢？怎麼樣增才能達到均分頻寬的目的？現在普遍的增窗策略是
「加性增窗
」，英文對應
「ai」
。也就是每條
tcp連線在乙個
rtt內的增量是常數，假設這個加性因子為
200k
。那接下來的速率增長就是：你有
3.5+0.2=3.7
，同學有
0.5+0.2=0.7.
看到這裡，或許有的人就恍然大悟了：這樣增窗，結果是大家的速率都收斂。也許還有人不明白，那就把速率隨時間變化的情況列出出來：
3.5 0.5
3.7 0.7
3.9 0.9
4.1 1.1
……………………………
5.5 2.5
2.75 1.25 md
……………………………
4.75 3.25
2.375 1.625 md
……………………………
4.375 3.625
2.1875 1.8125 md
……………………………
4.1875 3.8125 md
……………………………
從以上速率變化，可以看出，兩條
tcp連線的速率在逐漸趨近，這就是
aimd
策略的效果：收斂，到最後公平。也許有的人意猶未盡，那就從公式角度再算一次看看。假設
flow1
的初始視窗為c1，
flow2
的初始視窗為c2。
md減窗過程中，乘性因子為
beta=0.5
，也就是遇到丟包，視窗減一半。
ai增窗過程中，加性因子為
a。於是有：
c1' = ((c1*0.5 + m*0.2)*0.5 + m*0.2)*0.5 + m*0.2 …………
這裡m是變化的，表示增窗的次數，直到遇到丟包。但是由於頻寬有限，於是m可以視為常數。
c1'可以用等比數列求和公式給出，這裡就不詳細計算了。結論可以直接告訴大家：
c1'收斂到跟m和beta有關，跟c1無關的常數。
c2'也類似。
收斂性的證明比較複雜，我也懶得在博文裡講這麼學術化的事情。參見(注 2)。
看到這裡，你也就明白，
tcp如何均分頻寬，你同學又為什麼能從你手裡搶到頻寬了。至於減窗是不是過於劇烈，
beta
能不能設定得更好，變成動態的，增窗因子能不能設定更好，變成動態的。以及能不能拋棄
aimd
，使用mimd
，在什麼網路中能這樣做。這些問題就不是本文的討論範圍了，也許以後會講。 注：
（1udptcp
，這裡用人氣動漫舉例，是比較恰當的，動漫不像籃球比賽，沒有太強的實時性。好奇的同學可以查閱
「牛奶葡萄酒
」原則。（2
）jacobson
在他著名的**，
sigcomm 88
中已經證明了收斂性。
jacobson sigcomm 88 **：
TCP擁塞控制之擁塞避免
tcp傳送方通過慢啟動確定傳送資料的視窗閾值，一旦達到這個閾值，就意味著雖然網路中可能有更多可用的資源，但是如果占用全部的資源，將會使共享路由器佇列的其他tcp連線出現嚴重的丟包和重傳情況，從而導致整個網路效能不穩定。為了傳輸更多的資源而不至於影響其他tcp連線的傳輸，tcp實現了擁塞避免演算法。一...
TCP擁塞控制 慢開始與擁塞避免演算法
計算機網路中的頻寬 交換結點中的快取和處理機等，都是網路的資源。在某段時間，若對網路中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網路的效能就會變壞。這種情況就叫做擁塞。擁塞控制就是防止過多的資料注入網路中，這樣可以使網路中的路由器或鏈路不致過載。擁塞控制是乙個全域性性的過程，和流量控制不同，流量...
TCP擁塞控制
擁塞控制就是防止過多的資料注入到網路中，這樣可以使網路中的路由器或鏈路不致過載，擁塞控制要做的都有個前提，就是網路能夠承受現有的網路負荷。擁塞控制是個全域性性的過程。幾種擁塞控制方法 慢開始 擁塞避免 快重傳 快恢復 1.慢開始和擁塞避免 傳送方維持乙個叫做擁塞視窗的狀態變數，擁塞視窗取決於網路的擁...