ECN在tcp和ip报文中的具体实现

ECN（显式拥塞通知）机制通过在 IP 头部 和 TCP 头部 中使用特定的比特位（bit）来实现拥塞的标记与反馈。这些比特位协同工作，完成从网络设备标记拥塞，到接收方通知发送方，再到发送方响应的完整流程。

下面我们详细解释这些比特位在 IP 头和 TCP 头中的位置及其工作方式。

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一、IP 头部中的 ECN 相关比特位

在 IPv4 头部的 服务类型（Type of Service, ToS） 字段（8位）中，高2位被定义为 DS Field（Differentiated Services Field），其中：

• 第7位（从0开始计数）：ECT(1)（ECN-Capable Transport, 传输层支持ECN）
• 第6位：ECT(0)（ECN-Capable Transport）

这两个位组合起来表示发送方是否支持 ECN，以及网络设备是否可以对其进行拥塞标记。

ECT(0)	ECT(1)	含义
0	0	不支持 ECN（传统 IP 包）
1	0	支持 ECN，可被标记（发送方声明支持）
0	1	支持 ECN，可被标记（另一种表示方式）
1	1	CE（Congestion Experienced，网络设备标记拥塞）

✅ 关键点：当一个支持 ECN 的数据包在网络中传输时，初始状态通常是 ECT(0)=1, ECT(1)=0 或 ECT(0)=0, ECT(1)=1，表示“我支持 ECN”。
当路由器检测到拥塞时，会将这两个位改为 1,1，即 CE（Congestion Experienced），表示“此包经历了拥塞”。

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二、TCP 头部中的 ECN 相关标志位

 

在 TCP 头部的 标志位字段（Flags，6位）中，有两个用于 ECN 的比特：

1. ECE（ECN-Echo，ECN 回显）：第5位（从高位开始数）
2. CWR（Congestion Window Reduced，拥塞窗口已减小）：第6位

它们的工作流程如下：

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三、ECN 的完整工作流程（结合 IP 和 TCP 比特位）

阶段1：连接建立（协商 ECN 支持）

• 在 TCP 三次握手时，客户端在 SYN 包中设置 IP 头的 ECT(0)=1 或 ECT(1)=1，表示支持 ECN。
• 同时，在 TCP 选项中携带 ECN 选项（如 TCP Option: ECN）。
• 服务端在 SYN-ACK 中也设置 IP 头的 ECT 位，并回送 ECN 选项，表示也支持。
• 双方确认后，后续数据包即可使用 ECN。

阶段2：数据传输与拥塞标记

• 发送方发送数据包，IP 头设置为 ECT(0)=1, ECT(1)=0（或反之），表示“我支持 ECN”。
• 路由器检测到队列拥塞（如 RED 算法触发），但不丢包，而是将 IP 头的 ECT 位从 (1,0) 改为 (1,1)，即 CE 标记。
• 数据包继续传送到接收方。

阶段3：接收方反馈拥塞（使用 ECE）

• 接收方收到一个 IP 头为 CE (1,1) 的数据包。
• 它知道网络发生了拥塞，于是：
  • 在返回的 ACK 报文中，将 TCP 标志位的 ECE = 1，表示“我收到了拥塞标记”。
  • 同时，该 ACK 报文的 IP 头仍设置为 ECT(0)=1，表示它支持 ECN 反馈。

阶段4：发送方响应拥塞（使用 CWR）

• 发送方收到带有 ECE=1 的 ACK。
• 它立即执行拥塞控制（如将拥塞窗口减半），并：
  • 在下一个发送的数据包中，将 TCP 标志位的 CWR = 1，表示“我已经响应了拥塞”。
  • 此后，CWR 保持为 1，直到下一次收到 ECE 标志。

阶段5：接收方停止回显

• 接收方在收到 CWR=1 的包后，知道发送方已响应，于是后续的 ACK 中将 ECE 置 0。
• 如果再次收到 CE 标记的包，则重新置 ECE=1，循环上述过程。

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四、总结：比特位协同工作流程

步骤	设备	IP 头部	TCP 标志位	说明
1	发送方	ECT=1	-	发送支持 ECN 的数据包
2	路由器	ECT → CE	-	检测拥塞，将包标记为 CE
3	接收方	ECT=1	ECE=1	收到 CE 包，在 ACK 中设置 ECE
4	发送方	-	CWR=1	收到 ECE，降低窗口，设置 CWR
5	接收方	-	ECE=0	收到 CWR，停止设置 ECE

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五、补充说明

• ECN 要求 端到端支持：发送方、接收方、中间网络设备（路由器、交换机）都必须支持并启用 ECN。
• ECN 是 可选机制，通过 TCP 选项协商启用。
• ECN 特别适用于 高带宽、高延迟网络（如数据中心、长距链路），能显著减少因丢包导致的性能下降。

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✅ 总结：
ECN 通过 IP 头的 ECT/CE 位 实现网络设备对拥塞的显式标记，通过 TCP 头的 ECE 和 CWR 位 实现接收方到发送方的拥塞反馈和响应确认。这三个比特位协同工作，实现了“不丢包的拥塞通知”，是现代 TCP 高效传输的重要支撑。