الگوریتم TCP Slow Start چگونه با افزایش نمایی پنجره ازدحام، از ترافیک شبکه جلوگیری می‌کند؟

وقتی کاربری برای دانلود یک فایل روی لینکی کلیک می‌کند، سرور بلافاصله اتصال او را با حداکثر پهنای باند موجود پر نمی‌کند. در عوض، انتقال داده‌ها با سرعتی بسیار پایین و حساب‌شده آغاز می‌شود؛ در کسری از ثانیه اول تنها چند کیلوبایت داده ارسال می‌شود و سپس سرعت به سرعت افزایش می‌یابد. این کنترل‌کننده نامرئی، سرعت تقریبا هر صفحه وب، پخش ویدیو و انتقال فایلی را در اینترنت مدرن تعیین می‌کند.[4][5]

این رفتار توسط الگوریتم شروع کند پروتکل کنترل انتقال (TCP) کنترل می‌شود؛ یک مکانیزم اساسی برای کنترل ازدحام که طراحی شده تا از فروپاشی روترهای ستون فقرات اینترنت در برابر فوران ناگهانی ترافیک جلوگیری کند. بدون این الگوریتم، یک سرور پرسرعت می‌تواند یک گیرنده کندتر یا لینک‌های شبکه میانی را تحت فشار قرار دهد و منجر به از دست رفتن گسترده بسته‌های داده (packet loss) و قطع اتصال شود.[3][6]

سازوکار شروع کند به متغیری به نام پنجره ازدحام یا cwnd وابسته است. این متغیر حداکثر مقدار داده‌های تاییدنشده‌ای را تعیین می‌کند که فرستنده می‌تواند پیش از توقف و انتظار برای تایید دریافت توسط گیرنده، ارسال کند. هنگام برقراری یک اتصال جدید، فرستنده مقدار cwnd را روی یک عدد بسیار محافظه‌کارانه تنظیم می‌کند که معمولا بر اساس حداکثر اندازه سگمنت (MSS) اندازه‌گیری می‌شود.[1][7]

برای یک اتصال استاندارد اترنت، یک MSS معمولا ۱۴۶۰ بایت است. در روزهای اولیه اینترنت، همان‌طور که توسط کارگروه مهندسی اینترنت (IETF) در استاندارد RFC 2001 سال ۱۹۹۷ تعریف شد، پنجره ازدحام اولیه دقیقا روی یک سگمنت تنظیم می‌شد. این یعنی سرور تنها ۱.۴ کیلوبایت داده ارسال می‌کرد و تا زمانی که گیرنده آن را تایید نمی‌کرد، متوقف می‌ماند.[8]

برخلاف نامش، فاز شروع کند در واقع رشد نمایی را دیکته می‌کند. به ازای هر تاییدیه (ACK) که فرستنده از کلاینت دریافت می‌کند، مقدار cwnd را یک MSS افزایش می‌دهد. از آنجا که ارسال موفقیت‌آمیز یک سگمنت منجر به یک ACK می‌شود، فرستنده سپس می‌تواند دو سگمنت ارسال کند. وقتی آن دو تایید شدند، چهار سگمنت و سپس هشت سگمنت ارسال می‌کند و عملا نرخ ارسال را در هر زمان رفت‌وبرگشت (RTT) دو برابر می‌کند.[4][5][7]

در استاندارد RFC 5681 سازمان IETF (مشخصات سال ۲۰۰۹ که کنترل ازدحام TCP را به‌روز کرد) آمده است: «الگوریتم شروع کند زمانی استفاده می‌شود که cwnd < ssthresh باشد، در حالی که الگوریتم اجتناب از ازدحام زمانی به کار می‌رود که cwnd > ssthresh باشد.» این آستانه که به عنوان ssthresh (آستانه شروع کند) شناخته می‌شود، مرز بین بررسی تهاجمی شبکه و مدیریت محتاطانه پهنای باند است.[1]

به محض اینکه پنجره ازدحام از مقدار ssthresh عبور کند، دو برابر شدن نمایی متوقف می‌شود. الگوریتم وارد فاز اجتناب از ازدحام می‌شود؛ جایی که پنجره به صورت خطی افزایش می‌یابد (معمولا فقط یک MSS در هر رفت‌وبرگشت کامل). این رشد خطی، حد مطلق ظرفیت شبکه را بدون ایجاد خرابی فاجعه‌بار بررسی می‌کند.[1][3][7]

الگوریتم زمانی متوجه می‌شود که به سقف ظرفیت شبکه رسیده است که یک بسته داده از دست برود. در پروتکل TCP، از دست رفتن بسته (که با تاییدیه‌های تکراری یا پایان زمان انتظار مشخص می‌شود) نشانگر جهانی ازدحام است. روترهای شبکه به سادگی فضای بافر بیشتری برای نگهداری داده‌های ورودی ندارند و مجبور می‌شوند بسته‌های اضافی را دور بریزند.[3][6]

با تشخیص از دست رفتن بسته، فرستنده واکنش شدیدی نشان می‌دهد. مقدار ssthresh را به نصف کاهش می‌دهد و این حد پایین‌تر جدید را به عنوان مرز عملیاتی ایمن ثبت می‌کند. بسته به پیاده‌سازی خاص TCP، ممکن است مقدار cwnd را به مقدار اولیه برگرداند و دوباره وارد فاز شروع کند شود، یا برای حفظ یک توان عملیاتی متوسط، وارد فاز بازیابی سریع (fast recovery) شود.[1][8]

با گذشت زمان و تغییر زیرساخت اینترنت از دایال‌آپ به پهن‌باند، تعریف شروع «کند» نیز باید تکامل می‌یافت. محدودیت یک سگمنتی سال ۱۹۹۷ به یک گلوگاه جدی برای عملکرد وب تبدیل شد، زیرا اتصالات با پهنای باند بالا بی‌کار می‌ماندند تا رشد نمایی در طول چندین رفت‌وبرگشت سرعت بگیرد.[2][8]

تا سال ۲۰۰۹، استاندارد RFC 5681 به طور رسمی پنجره ازدحام اولیه مجاز را بسته به اندازه MSS به سه تا چهار سگمنت افزایش داد. این تغییر به سرورها اجازه داد تا در اولین ارسال، حدود ۴.۳ تا ۵.۸ کیلوبایت داده بفرستند و زمان لازم برای رسیدن به حداکثر توان عملیاتی در اتصالات پهن‌باند استاندارد را کاهش دهند.[1]

تلاش برای سرعت‌های اولیه بالاتر، در مقاله بسیار تاثیرگذار سال ۲۰۱۰ از Google Research با عنوان «استدلالی برای افزایش پنجره ازدحام اولیه TCP» به اوج خود رسید. مهندسان گوگل نشان دادند که افزایش پنجره اولیه به ۱۰ سگمنت (حدود ۱۴.۶ کیلوبایت) می‌تواند تاخیر بارگذاری صفحات وب را ۱۰ درصد یا بیشتر کاهش دهد، زیرا بسیاری از فایل‌های کوچک وب می‌توانند به طور کامل در همان اولین رفت‌وبرگشت تحویل داده شوند.[2]

امروزه، آن پنجره اولیه ۱۰ سگمنتی به پیش‌فرض هسته لینوکس تبدیل شده است که اکثریت قریب به اتفاق سرورهای وب در سراسر جهان را قدرت می‌بخشد. الگوریتم شروع کند همچنان میانجی نامرئی سرعت اینترنت است و تضمین می‌کند که هر اتصالی (چه به یک ترموستات هوشمند و چه به یک استریم ویدیوی 4K) ظرفیت دقیق پهنای باند خود را بدون از کار انداختن شبکه پیدا کند.[2][4][9]