2.6 网络拥塞控制原理与实践

你可能听说过与 TCP/IP 协议相关的术语，如 Cubic、Tahoe、Vegas、Reno、Westwood 以及近年来流行的 BBR 算法，这些都是网络传输层使用的拥塞控制算法。

拥塞控制算法直接影响网络吞吐（throughput）的效率。本节，我们分析拥塞控制的原理，回顾不同阶段互联网拥塞控制算法的设计，并深入探讨 BBR 算法如何在弱网环境下显著提升网络吞吐效率。

2.6.1 网络拥塞控制原理

网络吞吐效率与 RTT 和传输速率密切相关：

• RTT 越低，数据传输的延迟越短；
• 传输速率越高，网络在单位时间内处理的数据越多。

图 2-22 展示了这两者的变化逻辑及其对网络传输效率的影响。

图 2-22 RTT 与传输速率变化对网络吞吐效率的影响

首先，解释图中的一些术语，它们的含义如下：

• RTprop (Round-Trip propagation time，两个节点之间最小时延)：两个节点之间的最小时延，取决于物理距离，距离越长，时延越大。
• BtlBw（Bottleneck Bandwidth，瓶颈带宽）：如果把网络链路想象成水管，RTprop 是水管的长度，BtlBw 则是水管最窄处的直径。
• BDP（Bandwidth-Delay Product，带宽和延迟的乘积）：它代表了网络上能够同时容纳的数据量（水管中有多少流动的水）。 BDP 的计算公式是：BDP = 带宽 × 延迟。其中，带宽以比特每秒（bps）为单位，延迟以秒为单位。
• inflight 数据：指已经发送出去但尚未收到确认的数据包。这些数据包仍在网络中传输，等待接收方的处理或确认。。

受 RTT 和传输速率的影响，图 2-22 被分成了三个区间：

1. (0，BDP)：称为“应用受限区”（app limited）。这个区间内，inflight 数据量未占满瓶颈带宽。RTT 最小、传输速率最高。
2. (BDP，BtlBwBuffSize)：称为“带宽受限区”（bandwidth limited）。这个区间内，inflight 数据量已达到链路瓶颈容量，但尚未超过瓶颈容量加缓冲区容量。此时，应用能发送的数据量主要受带宽限制。RTT 逐渐变大，传输速率到达上限。
3. (BDP + BtlBwBuffSize，infinity)：称为“缓冲受限区”（buffer limited）。这个区间内，实际发送速率已超过瓶颈容量加缓冲区容量，超出部分的数据会被丢弃，从而产生丢包。RTT 以及传输速率均达到上限。

根据图 2-22，可以看出，拥塞的本质在于 inflight 数据量持续偏离 BDP 线向右扩展，而拥塞控制的关键在于调节 inflight 数据量保持在合适的区间内。显然，当 inflight 数据量位于应用受限区与带宽受限区的边界时，传输速率接近瓶颈带宽，且无丢包发生。

2.6.2 早期拥塞控制旨在收敛

早期互联网的拥塞控制以丢包为控制条件，控制逻辑如图 2-21 所示。

发送方维护一个称拥塞窗口的状态变量 cwnd，其值取决于网络拥塞的程度和所采用的拥塞控制算法。当发送方开始发送数据时，进入慢启动（Slow Start）阶段，也就是慢慢增大拥塞控制窗口；当出现丢包时，进行拥塞避免（Congestion Avoiance）阶段，也就是减小拥塞控制窗口；当丢包不再出现时，再次进入慢启动阶段，如此一直反复。

图 2-21 早期以丢包为条件的拥塞控制

以丢包为控制条件的机制适应了早期互联网的特征：低带宽和浅缓存队列。

随着移动互联网的快速发展，特别是图片和音视频应用的普及，网络负载大幅增加。与此同时，摩尔定律推动设备的性能不断提升和成本不断降低。当路由器、网关等设备的缓存队列增加，网络链路变得更长、更宽时，RTT 可能因缓存队列增大而增加，丢包则可能源于链路过长。网络变差，并不总是因链路拥塞所致。

因此，以丢包为控制条件的传统拥塞控制算法就不再适用了。

2.6.3 现代拥塞控制旨在效能最大化

如果说早期的拥塞控制算法目的在于收敛，防止互联网服务发生“拥塞崩溃”。那么，BBR 的目标则是充分利用链路带宽和路由/网关设备的缓存队列，最大化网络效能。

最大化网络效能的前提是找到网络传输中的最优点，图 2-22 中的两个黑色圆圈即代表网络传输的最优点：

• 上面的圆圈为 min RTT（延迟极小值）：此时，网络中路由/网关设备的 Buffer 未占满，没有任何丢包情况;
• 下面圆圈的为 max BW（带宽极大值）：此时，网络中路由/网关设备的 Buffer 被充分利用。

当网络传输处于最优点时：

• 数据包投递率 = BtlBW（瓶颈带宽），保证了瓶颈链路被 100% 利用；
• 在途数据包总数 = BDP（时延带宽积），保证了 Buffer 的利用合理。

然而，最小延迟与最大带宽互相矛盾，无法同时测量。如图 2-24 所示：测量最大带宽时，必须填满瓶颈链路，此时缓冲区被沾满，导致延迟增大；测量最小延迟时，需确保缓冲区为空，这又无法测得最大带宽。

图 2-24 无法同时得到 max BW 和 min RTT

2.6.4 BBR 的设计原理

BBR 的解题思路是不再考虑丢包作为拥塞的判断条件，而是交替测量带宽和延迟。

BBR 通过观测一段时间内的最大带宽和最小延迟来估算发包速率。稳定控制发送速度的同时，尽可能充分榨干带宽：

• 为了最大化带宽利用率，BBR 周期性探测链路条件的改善，并在检测到带宽提升时增加发包速率；
• 为了防止数据在中间设备缓存队列中堆积，BBR 定期探测链路的最小 RTT，并根据最小 RTT 调整发包速率。

BBR 的拥塞控制状态机是实现上述设计的核心基础。该状态机在任何时刻处于以下四种状态之一：启动（STARTUP）、排空（DRAIN）、带宽探测（PROBE_BW）和时延探测（PROBE_RTT）。这四种状态的含义以及转换关系如图 2-23 所示。

• 启动阶段（STARTUP）：连接建立时，BBR 采用类似传统拥塞控制的慢启动方式，指数级提升发送速率，目的是尽快找到最大带宽。当在连续一段时间内检测到发送速率不再增加，说明瓶颈带宽已达到，此时状态切换至排空阶段。
• 排空阶段（DRAIN）：此阶段通过指数级降低发送速率，执行启动阶段的反向操作，目的是逐步清空缓冲区中的多余数据包。
• 带宽探测阶段（PROBE_BW）：完成启动和排空阶段后，BBR 进入带宽探测阶段，这是 BBR 主要运行的状态。当 BBR 探测到最大带宽和最小延迟，并且在途数据量（inflight）等于 BDP 时，BBR 以稳定的速率维持网络状态，并偶尔小幅提速探测更大的带宽或小幅降速以公平释放带宽。
• 时延探测阶段（PROBE_RTT）：如果未检测到比前一周期更小的最小 RTT，则进入时延探测阶段。在该状态下，拥塞窗口（Cwnd）被设定为 4 个 MSS（最大报文段长度），并重新测量 RTT，持续 200ms。超时后，根据网络带宽是否已满载，决定切换至启动阶段或带宽探测阶段。

图 2-23 BBR 状态转移关系

2.6.5 BBR 的应用

Linux 内核从 4.9 开始集成了 BBR 拥塞控制算法。此后，在绝大数的 Linux 发行版中，只要几个命令就能使用 BBR 提升网络传输效率。

1. 首先，查询系统所支持的拥塞控制算法。

$ sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr cubic reno

上面返回的结果中，显示当前系统支持 bbr、cubic 和 reno 三种拥塞控制算法。

2. 查询当前使用的拥塞控制算法。

$ sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
net.ipv4.tcp_congestion_control = cubic

绝大部分 Linux 系统默认的拥塞控制算法为 Cubic 算法。

3. 指定拥塞控制算法为 bbr。

$ echo net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr >> /etc/sysctl.conf && sysctl -p

网络拥塞控制是单向生效，也就是说作为下行方的服务端调整了，BBR 算法即可生效。

2.6.6 BBR 性能表现

接下来，我们使用 tc 工具模拟弱网环境，使用网络性能测试工具 iperf3 测试弱网环境下不同的拥塞控制算法的表现。

首先，在服务端设置 eth0 网络接口上的流量丢包率为 1%、延迟为 25ms。

$ tc qdisc add dev eth0 root netem loss 1% latency 25ms

接着，在服务端使用 iperf3 开启测试服务，以服务端模式运行，设置监控时间2秒，并指定端口为 8080。

$ iperf -s -p 8080 -i 1

在客户端节点使用 iperf3 以客户端模式运行，请求 10.0.1.188 服务端的 8080 端口。

$ iperf3 -c 10.0.1.188 -p 8080

测试结果如表 2-3 所示。可以看出，BBR 在轻微丢包的网络环境下表现尤为出色。

表 2-3 不同网络环境下，各拥塞控制算法的网络吞吐表现 表数据来源

服务端的拥塞控制算法	延迟	丢包率	网络吞吐表现
Cubic	<1ms	0%	2.35Gb/s
Reno	<140ms	0%	195 Mb/s
Cubic	<140ms	0%	147 Mb/s
Westwood	<140ms	0%	344 Mb/s
BBR	<140ms	0%	340 Mb/s
Reno	<140ms	1.5%	1.13 Mb/s
Cubic	<140ms	1.5%	1.23 Mb/s
Westwood	<140ms	1.5%	2.46 Mb/s
BBR	<140ms	1.5%	160 Mb/s
Reno	<140ms	3%	0.65 Mb/s
Cubic	<140ms	3%	0.78 Mb/s
Westwood	<140ms	3%	0.97 Mb/s
BBR	<140ms	3%	132 Mb/s

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