El otro día @eva_cb , una profesora de la URJC, hizó un tweet en el que incluía una serie de comandos que se utilizan en un entorno Linux para configurar y modificar el comportamiento del protocolo de control de transmisión (TCP).

To get a capture file of the basic behavior of TCP
sysctl -w net.ipv4.tcp_sack=0
sysctl -w net.ipv4.tcp_timestamps=0
sysctl -w net.ipv4.tcp_window_scaling=0
echo "4096 8192 8192" > /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem
ifconfig eth0 mtu 1040
tc qdisc add dev eth0 root netem loss 25% pic.twitter.com/rADFzuD1Qw

— eva (@eva_cb) December 1, 2023

<script async src="https://platform.twitter.com/widgets.js" charset="utf-8"></script>

La verdad es que el tweet me gustó mucho y me hizo pensar que no había hablado de control de congestión en el podcast todavía, así que le he robado vilmente la idea y hoy voy a hablar en el podcast un poco de control de control de congestión en TCP.

La verdad es que me tocó repasar porque, voy a ser sincero, no lo tenía nada fresco esto, hace mucho tiempo, hace unos 11 ó 12 porque en Tecnocrática tenemos los servidores web con un pequeño tuning para mejorar el rendimiento, pero eso es cosa para otro día.

Fundamentos del Control de Congestión de TCP

Definición y Objetivos del Control de Congestión

El control de congestión en TCP (Protocolo de Control de Transmisión) es un mecanismo diseñado para regular la cantidad de datos que pueden ser enviados a la red sin confirmación. Su principal objetivo es evitar la sobrecarga de la red, que puede ocurrir cuando demasiados paquetes son enviados en un período corto, superando la capacidad de la red para manejarlos eficientemente. Esta regulación es crucial para mantener un rendimiento óptimo y la estabilidad de la red.

La congestión se produce cuando los nodos de la red (como routers y switches) están sobrecargados de datos, lo que lleva a un aumento en el tiempo de retardo y la probabilidad de pérdida de paquetes. El control de congestión busca equilibrar la carga en la red, ajustando dinámicamente la tasa de transmisión de los datos en función de las condiciones actuales de la red. Esto se logra mediante una serie de algoritmos y mecanismos que detectan, previenen y reaccionan ante los signos de congestión.

Problemas Causados por la Congestión de Red

La congestión en una red de datos puede llevar a varios problemas serios, entre ellos:

• Pérdida de Paquetes: Cuando los buffers en los routers se llenan debido a la congestión, los paquetes en exceso son descartados, lo que requiere su retransmisión y, por ende, reduce la eficiencia general de la red.


• Latencia Alta: Un mayor volumen de tráfico en la red puede aumentar significativamente los tiempos de retardo, afectando negativamente la experiencia del usuario, especialmente en aplicaciones en tiempo real como las llamadas VoIP y juegos en línea.


• Fluctuaciones de Throughput: La variabilidad en el throughput (rendimiento) de la red puede ser un signo de congestión intermitente, lo que dificulta la planificación de la capacidad y la calidad del servicio.


• Injusticia en la Asignación de Recursos: Sin un control de congestión efectivo, ciertos flujos de datos pueden monopolizar los recursos de la red, mientras que otros pueden quedar con un ancho de banda insuficiente.

Diferencia entre Control de Congestión y Control de Flujo

Aunque a menudo se confunden, el control de congestión y el control de flujo en TCP son mecanismos distintos diseñados para resolver diferentes problemas:

• Control de Flujo: Se enfoca en la relación entre el emisor y el receptor. Su objetivo es evitar que el emisor sobrecargue al receptor con demasiados datos. Utiliza el mecanismo de ventana deslizante de TCP, donde el receptor anuncia dinámicamente el tamaño de la ventana de recepción (la cantidad de datos que está dispuesto a recibir antes de enviar un acuse de recibo) al emisor, regulando así la velocidad a la que el emisor puede enviar datos.


• Control de Congestión: Por otro lado, el control de congestión se ocupa de la relación entre el emisor y la red. Busca prevenir o mitigar la sobrecarga de datos en la red para mantener un alto rendimiento y evitar la pérdida de paquetes. A diferencia del control de flujo, que es una cuestión de capacidad del receptor, el control de congestión se relaciona con la capacidad de toda la red.

En resumen, mientras que el control de flujo se asegura de que el receptor no se vea abrumado, el control de congestión se asegura de que la red en su conjunto no se vea sobrecargada. Ambos mecanismos trabajan en conjunto para garantizar una transmisión de datos eficiente y fiable en TCP.

Mecanismos Básicos de Control de Congestión en TCP

El control de congestión en TCP emplea varios mecanismos fundamentales para gestionar y mitigar la congestión en las redes. Estos mecanismos trabajan juntos para ajustar la tasa de envío de datos, basándose en la percepción del estado actual de la red. Los más importantes son el Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit y Fast Recovery.

Slow Start (Inicio Lento)

• Funcionamiento: El algoritmo de Slow Start es el primer paso en el control de congestión de TCP. Al iniciar una conexión, TCP no sabe cuánta capacidad está disponible en la red. Por lo tanto, comienza con una tasa de envío conservadora. Inicia con una ventana de congestión pequeña, típicamente de uno o dos segmentos de tamaño máximo de segmento (MSS). Por cada acuse de recibo (ACK) recibido, el tamaño de la ventana de congestión se incrementa en un MSS, lo que lleva a un aumento exponencial del tamaño de la ventana por cada RTT (Round-Trip Time).


• Objetivo: El objetivo es aumentar rápidamente la tasa de transmisión hasta encontrar la capacidad de la red, sin iniciar la transferencia con una carga pesada que podría provocar inmediatamente congestión.

Congestion Avoidance (Evitación de la Congestión)

• Funcionamiento: Una vez que la ventana de congestión alcanza un umbral específico (el umbral de congestión), el algoritmo de Congestion Avoidance toma el control. A partir de este punto, el aumento del tamaño de la ventana de congestión es más conservador. En lugar de duplicar la ventana cada RTT, se incrementa en un MSS por cada RTT, resultando en un crecimiento lineal. Este crecimiento más lento ayuda a evitar la saturación de la red.


• Objetivo: El principal objetivo es mantener el flujo de datos en un nivel sostenible para evitar la congestión, aumentando gradualmente el tamaño de la ventana de congestión mientras se monitoriza el rendimiento de la red.

Fast Retransmit (Retransmisión Rápida)

• Funcionamiento: Fast Retransmit es un mecanismo que mejora la eficiencia de la red al reducir el tiempo necesario para recuperarse de la pérdida de paquetes. Cuando un emisor recibe tres acuses de recibo duplicados (tres ACKs para el mismo segmento de datos), asume que un segmento se ha perdido y lo retransmite inmediatamente sin esperar a que expire el temporizador de retransmisión.


• Objetivo: Este mecanismo está diseñado para responder rápidamente a la pérdida de paquetes, una señal común de congestión en la red, minimizando así el impacto negativo en el rendimiento.

Fast Recovery (Recuperación Rápida)

• Funcionamiento: Fast Recovery trabaja en conjunto con Fast Retransmit. Una vez que se retransmite el paquete perdido, en lugar de reducir drásticamente la ventana de congestión y comenzar desde Slow Start, TCP entra en un estado de recuperación rápida. En este estado, la ventana de congestión se reduce a la mitad del tamaño que tenía cuando se detectó la pérdida. Luego, por cada ACK duplicado recibido, el tamaño de la ventana de congestión se incrementa en un MSS, hasta que todos los datos pendientes son reconocidos.


• Objetivo: El objetivo de Fast Recovery es reanudar rápidamente una tasa de transferencia efectiva después de una pérdida de paquetes, evitando el proceso más lento de Slow Start y aprovechando la información obtenida de los ACKs duplicados para ajustar el tamaño de la ventana.

En resumen, estos cuatro mecanismos son fundamentales para el eficiente control de congestión en TCP. El Slow Start permite a TCP iniciar la transmisión de datos de manera conservadora, aumentando exponencialmente el tamaño de la ventana hasta encontrar un límite sostenible. La Evitación de Congestión mantiene el crecimiento de la ventana en un ritmo lineal para evitar la saturación de la red. Fast Retransmit y Fast Recovery trabajan juntos para responder rápidamente a la pérdida de paquetes, permitiendo a TCP recuperar su tasa de transmisión de manera eficiente y minimizar la interrupción en la transferencia de datos.

Algoritmos Avanzados de Control de Congestión

Los algoritmos avanzados de control de congestión en TCP representan una evolución en la forma en que TCP gestiona la congestión y la pérdida de paquetes. Estos algoritmos incluyen Tahoe, Reno, N