在網絡通信中，擁塞是一個常見的問題，尤其是在高負載時期或網絡拓撲結構不完善的情況下。傳統的擁塞控制方法主要通過丟包來指示網絡擁塞，當路由器的緩沖區滿時，會丟棄數據包，發送方通過檢測丟失的數據包來進行擁塞控制。然而，丟包會導致重傳，增加網絡負擔，降低網絡性能。

ECN（Explicit Congestion Notification）是一種改進后的擁塞控制方法，它不依賴于丟包來指示擁塞，而是在數據包的頭部標記擁塞發生的信號。ECN通過向數據包的 IP 頭部添加一個特殊的標記位告知發送方網絡發生了擁塞。

ECN的工作原理

ECN 的工作原理可以分為三個主要階段：標記、回傳、響應。

標記（第一階段）：當路由器的緩沖區開始出現擁塞時，它會檢查傳入的數據包。如果緩沖區超過了某個閾值，路由器會修改數據包的 IP 頭部，在其中設置 ECN 位，表示網絡出現了擁塞。

回傳（第二階段）：標記了 ECN 位的數據包繼續在網絡中傳輸，它們不會被丟棄。這使得接收方能夠收到所有數據包，無需等待重傳。

響應（第三階段）：接收方收到帶有 ECN 標記的數據包后，會向發送方發送一條特殊的通知（CNP），告知發送方網絡發生了擁塞。發送方收到通知后，會根據接收方的指示適當調整發送速率，以降低網絡擁塞的程度。

通過這種方式，ECN 可以更及時地指示網絡擁塞，并且避免了丟包帶來的額外開銷，從而提高了網絡的性能和效率。

ECN在網絡層的實現

ECN在IP頭部中需要2個比特位來承載信息，它在IPv4位于IP頭部TOS字段中，示意圖如下：

（Differentiated Services Field (區分服務領域):DS Field的兩個部分DSCP和CU組合成一個可擴展性相對較強的方法以此來保證IP的服務質量。）

ECN在 IPv4 和 IPv6 頭部中的位置和功能是類似的，但由于兩者頭部結構不同，其具體位置也存在差異。如下表：

支持ECN的標識

支持ECN的發送端（如服務器）在發出IP數據包時，會將其IP頭部的ECN字段設置為 ECT(0)或 ECT(1)。這相當于向網絡宣告：“我這個數據包是可以被ECN標記的，如果遇到擁塞，請標記我，不要丟棄我。”

擁塞標記

當支持ECN的網絡設備（如路由器、交換機）檢測到其緩沖區隊列開始出現擁塞（但尚未滿到需要丟包的程度）時，它會檢查正在通過的數據包的ECN字段。如果該字段是 ECT(0)或 ECT(1)，設備就會將其修改成 CE (11)。這個動作是ECN的核心—顯式擁塞通知。

信息回傳

接收端收到帶有 CE 標記的數據包后，會通過其傳輸層協議（如 TCP ACK 包中的 ECN-Echo 標志位）通知發送端。發送端接到通知后，便會像檢測到丟包一樣降低發送速率，從而緩解擁塞。

ECN在傳輸層的實現

TCP

ECN在傳輸層的實現，是其發揮“端到端”擁塞控制作用的關鍵一環。在數據傳輸前，發送方和接收方必須通過三次握手 (Three-Way Handshake) 建立一個穩定的連接。TCP協議負責接收來自網絡層（IP）的擁塞信號，并將其反饋給發送方，最終觸發發送方的速率調整。

TCP 通過其首部中的兩個標志位來實現 ECN 功能。

這2位有4種可能組合，每種組合被稱為碼點

• ECE (ECN-Echo)：用于接收方向發送方回顯擁塞通知。當接收方收到一個被網絡設備標記為擁塞體驗（CE）的數據包時（接上一節內容），它會在后續返回的 ACK 包中設置 ECE=1，以此通知發送方網絡發生了擁塞。
• CWR (Congestion Window Reduced)：用于發送方向接收方確認已降低發送速率。當發送方收到一個 ECE=1 的 ACK 包并做出降速響應后，它會在下一個數據包中設置 CWR=1，以此告知接收方：“我已收到擁塞通知并已采取行動”。

UDP

UDP也是網絡中傳輸層的一個核心協議，那么它和TCP的區別又是什么呢？

UDP 本身是無連接、無狀態的協議，不像 TCP 那樣有復雜的確認和重傳機制。因此，ECN 在 UDP 中的實現方式與 TCP 不同，通常需要應用程序的更多參與或依賴配套的反饋協議。

發送方（應用程序）需要通過特定的 API（如 IP_ECNsocket 選項）來檢測路徑是否支持 ECN，并在發出的 UDP 數據包的 IP 頭部設置 ECT 碼點（ECT(0) 或 ECT(1)），表明該數據包支持 ECN。

當支持 ECN 的網絡設備將 UDP 數據包標記為 CE 后，接收方需要檢測到這一標記。由于 UDP 沒有類似 TCP 的 ACK 機制，接收方需要生成一個專門的 CNP (Congestion Notification Packet, 擁塞通知報文)，CNP報文內部會攜帶引發擁塞的原始數據流的關鍵信息（源和目標IP地址、傳輸層端口號、擁塞程度信息、QP（Queue Pair）信息），并將其發送回源發送方。發送方在收到 CNP 后，需要主動降低數據發送速率。

ECN在RDMA中的實現方式

在高性能計算和數據中心環境中，RoCEv2 也廣泛使用 ECN。其實現方式與 UDP 類似，因為 RoCEv2 運行在 UDP 之上。

支持 ECN 的交換機在檢測到擁塞時，會標記 RoCEv2 數據包的 IP 頭 ECN 字段為 CE。接收端網卡生成專門的 CNP（擁塞通知報文），其中包含導致擁塞的流量源信息，CNP 被發送回引發擁塞的發送端主機，發送端主機收到 CNP 后，會根據DCQCN（數據中心量化擁塞通知） 等算法調整相應數據流的發送速率。

智算中心的硬件核心在于為 RoCEv2提供穩定、高性能的無損網絡環境。這不僅需要網卡支持，更需要交換機的深度配合。CX-N系列數據中心交換機通過其超低時延、無損網絡技術、對大容量緩存的優化、高級遙測功能以及對自動化運維的支持，為DCQCN協議在AI計算、高性能計算等場景中的高效、穩定運行提供了堅實的硬件基礎。