9: 拥塞控制之慢启动 (Slow Start)

功能描述:

协议采用“慢启动”算法作为拥塞控制的初始阶段。这允许连接在建立之初，快速地、指数级地增加其发送速率，以尽快探测到网络的可用带宽上限，从而在保证网络稳定性的前提下，迅速达到较高的吞吐量。

实现位置:

核心逻辑: src/core/reliability/congestion/vegas.rs (Vegas::on_ack, Vegas::on_packet_loss)
状态定义: src/core/reliability/congestion/vegas.rs (State enum)
相关配置: src/config.rs (Config::initial_cwnd_packets, Config::initial_ssthresh)

慢启动工作原理

慢启动是基于拥塞窗口 (cwnd) 的一种增长机制。cwnd 决定了发送方在收到确认（ACK）之前，最多可以发送多少个数据包。

graph TD
    A[开始连接] --> B{状态: 慢启动};
    B -- "收到ACK" --> C{拥塞窗口 cwnd++};
    C --> D{cwnd < ssthresh?};
    D -- "是" --> B;
    D -- "否" --> E{状态: 拥塞避免};
    B -- "检测到拥塞性丢包" --> F{ssthresh = cwnd/2<br>cwnd = ssthresh};
    F --> B;
    E -- "检测到拥塞性丢包" --> F;

初始状态:
- 当一个新连接建立时，它会进入 SlowStart 状态。
- 拥塞窗口 (cwnd) 被初始化为一个较小的值，由配置中的 initial_cwnd_packets 决定（默认为32个包）。
- 慢启动阈值 (ssthresh) 被设置为一个非常大的值 (u32::MAX)，确保连接一开始就能执行慢启动。
窗口增长 (指数增长):
- 在 SlowStart 状态下，每当发送方收到一个有效的 ACK，它就会将 cwnd 的值增加1。
- Vegas::on_ack 方法实现了这个逻辑。由于发送方在一个 RTT（往返时间）内可能会收到前一个窗口内所有数据包的ACK，这实际上导致 cwnd 大约每经过一个 RTT 就会翻倍，实现了发送速率的指数级增长。
退出慢启动:
- 当 cwnd 的值增长到等于或超过 ssthresh 时，慢启动过程结束。
- 连接状态从 SlowStart 切换到 CongestionAvoidance（拥塞避免）。在这个新阶段，cwnd 的增长会变得更加平缓和线性，以避免造成网络拥塞。
因丢包进入慢启动:
- 如果在任何时候检测到了拥塞性丢包（通过RTT显著增加等启发式方法判断），协议会认为网络发生了拥塞。
- Vegas::on_packet_loss 会立即采取行动：
  - 将 ssthresh 更新为当前 cwnd 的一半。
  - 将 cwnd 也重置为这个新计算出的 ssthresh 值。
  - 将状态强制切换回 SlowStart，重新开始增长过程。

这种“乘性减、加性增”（AIMD）的变体策略，结合慢启动，构成了协议拥塞控制的核心，使其能够高效地利用带宽，同时在出现拥塞时能快速避让。

测试验证 (Test Validation)

慢启动机制的各个方面都在 src/congestion/tests.rs 中得到了全面的单元测试，确保其行为与设计一致。

验证初始状态: test_vegas_initial_state 确保新创建的控制器处于 SlowStart 状态，并具有正确的初始 cwnd。

#![allow(unused)]
fn main() {
#[test]
fn test_vegas_initial_state() {
    let config = test_config();
    let vegas = Vegas::new(config);

    assert_eq!(vegas.congestion_window(), 10);
    assert_eq!(vegas.state, State::SlowStart);
}
}

验证窗口增长: test_vegas_slow_start 验证了在慢启动期间，每次收到ACK，cwnd 都会加1。

#![allow(unused)]
fn main() {
#[test]
fn test_vegas_slow_start() {
    // ... setup ...
    assert_eq!(vegas.congestion_window(), 10);
    vegas.on_ack(Duration::from_millis(100));
    assert_eq!(vegas.congestion_window(), 11);
}
}

验证状态转换: test_vegas_transition_to_congestion_avoidance 确保当 cwnd 达到 ssthresh 时，状态会切换到拥塞避免。

#![allow(unused)]
fn main() {
#[test]
fn test_vegas_transition_to_congestion_avoidance() {
    let mut vegas = Vegas::new(test_config());
    vegas.congestion_window = 19;
    vegas.slow_start_threshold = 20;

    vegas.on_ack(Duration::from_millis(100)); // cwnd becomes 20
    assert_eq!(vegas.congestion_window(), 20);
    assert_eq!(vegas.state, State::CongestionAvoidance);
}
}

验证对拥塞丢包的反应: test_vegas_congestive_loss_reaction 验证了发生拥塞丢包后，ssthresh 和 cwnd 会被正确重置，并重新进入慢启动。

#![allow(unused)]
fn main() {
#[test]
fn test_vegas_congestive_loss_reaction() {
    // ... setup with cwnd = 20 and congestive RTT ...
    vegas.on_packet_loss(Instant::now());

    // ssthresh should be cwnd / 2 = 10
    assert_eq!(vegas.slow_start_threshold, 10);
    // cwnd should be reset to new ssthresh
    assert_eq!(vegas.congestion_window(), 10);
    // State should revert to SlowStart
    assert_eq!(vegas.state, State::SlowStart);
}
}

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