TCP慢启动机制总结

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Peterson Chapter 6.3

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费曼学习法自检 Checklist：TCP 慢启动 (Slow Start)

📋 自检清单 (Checklist)

第一部分：背景理解

[ ] 1. 我能解释为什么 AIMD 不适合新连接的冷启动 (cold start) 场景吗？
[ ] 2. 我能说明为什么”窗口过大”比”窗口过小”的后果更严重吗？

第二部分：核心概念

[ ] 3. 我能用自己的话解释什么是慢启动 (Slow Start) 吗？
[ ] 4. 我能说明慢启动阶段拥塞窗口 (cwnd, Congestion Window) 是如何增长的吗？
[ ] 5. 我能解释为什么叫”慢”启动，尽管它是指数增长 (exponential increase) 吗？

第三部分：关键参数与阈值

[ ] 6. 我能解释慢启动阈值 (Slow Start Threshold) 的作用吗？
[ ] 7. 我能说明 CongestionThreshold 这个临时变量的用途吗？

第四部分：状态转换

[ ] 8. 我能描述从慢启动切换到 AIMD 的条件吗？
[ ] 9. 我能解释”膝点 (knee point)”和”悬崖点 (cliff point)”分别代表什么吗？

第五部分：特殊场景

[ ] 10. 我能解释超时等待 (timeout) 后慢启动如何重新启动吗？
[ ] 11. 我能说明累积确认 (cumulative ACK) 在重新打开连接时的作用吗？

第六部分：能否教给别人

[ ] 12. 我能画出慢启动的 cwnd 增长过程图吗？
[ ] 13. 我能用一个简单的数字例子演示慢启动过程吗？（如 cwnd: 1→2→4→8…）

✅ 答案与详解

问题 1：我能解释为什么 AIMD 不适合新连接的冷启动场景吗？

答案：
AIMD（加性增乘性减）每个 RTT 只增加 1 个包的窗口大小，增长太慢。对于新连接，从 cwnd=1 开始，如果用 AIMD，需要很长时间才能达到网络的可用带宽。慢启动通过指数增长快速探测可用带宽。

问题 2：我能说明为什么”窗口过大”比”窗口过小”的后果更严重吗？

答案：
窗口过大会导致：

更多数据包被丢弃 (packets dropped)
需要重传 (retransmission)
加剧网络拥塞 (network congestion)

窗口过小只是效率低，但不会恶化网络状况。

问题 3：我能用自己的话解释什么是慢启动吗？

答案：
慢启动是 TCP Reno 中用于新连接的一种机制。它让拥塞窗口从 1 开始，每收到一个 ACK 就加 1，实际效果是每个 RTT 窗口翻倍（指数增长），直到达到慢启动阈值后切换为 AIMD 的线性增长。

问题 4：我能说明慢启动阶段 Cwnd 是如何增长的吗？

答案：

初始：cwnd = 1，发送 1 个包
收到 1 个 ACK：cwnd = 1+1 = 2，发送 2 个包
收到 2 个 ACK：cwnd = 2+1+1 = 4，发送 4 个包
收到 4 个 ACK：cwnd = 4+4 = 8，发送 8 个包

规律：每个 RTT，cwnd 翻倍（指数增长）

问题 5：我能解释为什么叫”慢”启动吗？

答案：
因为它从 cwnd=1 这个很小的值开始，相比于一开始就发送大窗口的数据，初始阶段确实很”慢”。名字强调的是起点低，而不是增长速度。

问题 6：我能解释慢启动阈值的作用吗？

答案：
慢启动阈值 (Slow Start Threshold, ssthresh) 是一个分界点：

cwnd < ssthresh：使用慢启动（指数增长）
cwnd ≥ ssthresh：切换到拥塞避免（AIMD，线性增长）

它帮助 TCP 在快速增长和稳定探测之间取得平衡。

问题 7：我能说明 CongestionThreshold 变量的用途吗？

答案：
当发生丢包后重新启动慢启动时，TCP 会记住上次丢包时的 cwnd 值，存入 CongestionThreshold 作为”目标值”。这样可以避免再次增长到同样大小时发生丢包。

问题 8：我能描述从慢启动切换到 AIMD 的条件吗？

答案：
当 cwnd 达到或超过慢启动阈值 (ssthresh) 时，TCP 从指数增长切换为加性增长（每 RTT 加 1）。

问题 9：我能解释”膝点”和”悬崖点”分别代表什么吗？

答案：

膝点 (Knee Point)：cwnd 达到 ssthresh，从指数增长变为线性增长的转折点
悬崖点 (Cliff Point)：发生丢包的点，此时 cwnd 会乘性减少（通常减半）

问题 10：我能解释超时后慢启动如何重新启动吗？

答案：
当连接因等待超时而”死亡”后，收到累积 ACK 重新打开连接时：

将上次丢包时的 cwnd 存为 CongestionThreshold
cwnd 重置为 1
使用慢启动指数增长，直到达到 CongestionThreshold
然后切换为 AIMD 线性增长

问题 11：我能说明累积确认在重新打开连接时的作用吗？

答案：
累积 ACK (Cumulative ACK) 确认了之前所有已收到的数据，告诉发送方可以继续发送新数据。它是重新打开连接、恢复传输的信号。

问题 12 & 13：慢启动过程示意

Code

RTT 1: cwnd=1  → 发送 1 包 → 收到 1 ACK
RTT 2: cwnd=2  → 发送 2 包 → 收到 2 ACK  
RTT 3: cwnd=4  → 发送 4 包 → 收到 4 ACK
RTT 4: cwnd=8  → 发送 8 包 → 收到 8 ACK
...
达到 ssthresh 后 → 每 RTT 只加 1（AIMD）

🎯 核心记忆口诀

“冷启动用慢启动，指数翻倍到阈值，过了阈值变线性，丢包减半重来过”