5 分钟搞懂 ECN

ECN 是通过在 IP 和 TCP 头中携带拥塞信息，通知发送方网络拥塞状态，从而采取相应拥塞控制措施。原文: What is ECN(Explicit Congestion Notification)?

ECN 是 Explicit Congestion Notification 的缩写，意思是显式拥塞通知算法，和慢启动重启或者 AIMD 那样的拥塞控制算法不一样，ECN 只做一件事情，即将路由器的拥塞状态通知给发送方。因此，ECN 是一种拥塞通知或拥塞信令算法，通知发送方有关拥塞的情况，以便采取相应措施避免拥塞。

ECN 是 RFC 3168 中定义的拥塞信令机制，首次发表于 1999 年，并在 2001 年左右定稿。ECN 利用 TCP 报头中的两位和 IP 报头中的两位标记数据包(标记的意思是在头域中翻转一位)。

=>假设 X 让人给 Z 转交一封信。

=>X 将信传递给中间人 Y。

=>Y 先看看自己忙不忙。

=>如果 Y 比较忙，就在信封的一角用钢笔做个十字记号，然后把信传给下一个人。

=>当 Z 收到信时，看到信封一角有十字标记，就知道其中一个中间人现在比较忙。

=>Z 沿原路径给发送方 X 发送 ACK, ACK 信封上带有相同的标记。看到这个标记，X 就知道发生了拥塞。

ECN 可以与 AQM 算法一起使用。AQM 算法在链路拥塞时会主动丢弃数据包，但如果不是丢包，而是可以标记，那就太好了。由于 ECN 不会丢弃数据包，从而避免了重传，这就是为什么 ECN 算法今天非常流行。目的只是让发送方知道路由器发生了拥塞，所以如果可以通过 ECN 告诉发送方，为什么要丢包呢？此外，丢包没法让发送方立马知道发生了拥塞，而这对于时间敏感型数据包非常重要，因为这种类型的流量不高。

为了使用 ECN 机制，发送方、接收方和中间的路由器必须全部支持 ECN 功能。目前，ECN 可以在所有操作系统中实现，比如手机、服务器、笔记本电脑，包括路由器等中间设备。但默认情况下是禁用的，原因不是 ECN 有什么问题，而是因为 ECN 与 AQM 算法一起部署，而由于参数配置的原因，AQM 并不太受欢迎。

TCP 报头中的 ECN 位:

ECN 在 TCP 头中占用 2 位，分别是 CWR 和 ECE，注意两者的顺序。

• CWR: Congestion Window Reduced，拥塞窗口减少标志

• ECE: Echo of Congestion Encountered，拥塞响应

这 2 位有 4 种可能组合，每种组合被称为码点(codepoint)。

ECN TCP 报头中的码点:

• [0 0]为非 ECN 设置码点，收发双方都可以发送。X 发送给 Y 这个代码点的意思是 X 告诉 Y 它不支持 ECN。

• [0 1]为 ECN Echo 码点，由接收方发送给发送方。如果发送方告诉接收方他支持 ECN，接收方会告诉发送方自己是否支持 ECN。如果接收方支持 ECN，那就用这个码点回复。此外，接收方告诉发送方拥塞时也使用此码点。因此这个码点有两种用法。

• [1 0]为 CWR 码点，由发送方发送给接收方。此码点用作从发送方发送到接收方的确认，用于告诉接收方，它知道发生了拥塞，已经减小了拥塞窗口大小。

• [1 1]为 ECN 设置码点，由发送方发送给接收方，告知发送方支持 ECN。

ECN 协商:

• 第一步: 发送方发送带有 ECN 设置码点(CWR=1, ECE=1)的 SYN 包，告诉接收方它支持 ECN。在通过三次握手建立 TCP 连接时，这些信息总是以 SYN 包的形式传递，而接收方也必须回复 ECN 的状态。

• 第二步: 如果接收方支持 ECN，就发送 ECN Echo 码点(CWR=0, ECE=1)，表示接收方也启用了 ECN。假设接收方不支持 ECN，那么回复非 ECN 设置码点(CWR=0, ECE=0)，表示没有启用 ECN。

• 第三步: 现在，发送方和接收方已经交换了 ECN 信息，可以像正常一样发送数据。

如果发送方和接收方都支持 ECN，并且都标记而不是丢弃数据包。但由于路由器不能读取 TCP 报头，只能读取 IP 报头，因此在 IP 报头中也用 2 位来通知路由器有关 ECN 的信息。

IP 报头中的 ECN 位:

路由器需要运行 AQM 并标记数据包，因此必须知道发送方和接收方是否启用了 ECN。由于路由器不能访问 TCP 报头，所以在 IP 报头中增加了 2 位作为 ECN 码点。

第一位被称为 ECT(ECN Capable Transport)，第二位被称为 CE(Congestion Encountered)。同样会有四个码点，但和之前介绍的不太一样。

IP 报头中的 ECN 码点:

• [0 0]表示非 ECT，意思是数据包不支持 ECN，因此没有必要标记该数据包。如果有拥塞，那么这个数据包必须被丢弃。

• [0 1]是 ECT(0)码点，表示数据包支持 ECT。

• [1 0]为 ECT(1)码点，也表示数据包支持 ECT。如果数据包是 ECT(0)或(1)，那么这个数据包将不会被路由器丢弃，而只是会被标记。

• [1 1]为 CE 码点。当路由器拥塞并且数据包支持 ECT 时，路由器将该数据包标记为 CE。路由器将翻转 ECT 码点的 0 位，使其成为 CE。路由器不丢包，而只是标记并将其传输给接收者。

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