面向連接的傳輸：TCP

TCP：概述

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

• 一個(gè)發(fā)送方、一個(gè)接收方

可靠的、按順序的字節(jié)流

• 沒(méi)有報(bào)文邊界

管道化（流水線）

• TCP擁塞控制和流量控制設(shè)置窗口大小

發(fā)送和接收緩存

全雙工數(shù)據(jù)

• 在同一連接中數(shù)據(jù)流雙向流動(dòng)
• MSS：最大報(bào)文段大小

面向連接

• 在數(shù)據(jù)交換之前，通過(guò)握手（交換控制報(bào)文）初始化發(fā)送方、接收方的狀態(tài)變量

有流量控制

• 發(fā)送方不會(huì)淹沒(méi)接收方

TCP報(bào)文段結(jié)構(gòu)

TCP序號(hào)，確認(rèn)號(hào)

序號(hào)

• 報(bào)文段首字節(jié)的在字節(jié)流的編號(hào)

確認(rèn)號(hào)

• 期望從另一方收到的下一個(gè)字節(jié)的序號(hào)
• 累計(jì)確認(rèn)

接收方如何處理亂序的報(bào)文段-沒(méi)有規(guī)定

TCP往返延時(shí)（RTT）和超時(shí)

怎樣設(shè)置TCP超時(shí)

• 比RTT要長(zhǎng)
  • 但RTT是變化的
• 太短：太早超時(shí)
  • 不必要的重傳
• 太長(zhǎng)：對(duì)報(bào)文段丟失反應(yīng)太慢，消極

怎樣估計(jì)RTT

• SampleRTT：測(cè)量從報(bào)文段發(fā)出到收到確認(rèn)的時(shí)間
  • 如果有重傳，忽略此次測(cè)量
• SampleRTT會(huì)變化，因此估計(jì)的RTT應(yīng)該比較平滑
  • 對(duì)幾個(gè)最近的測(cè)量值求平均，而不是僅用當(dāng)前的SampleRTT

TCP序號(hào)和確認(rèn)號(hào)

TCP往返延時(shí)和超時(shí)

$EstimatedRTT=(1?a)?EstimatedRTT+a?SampleRTT$

• 指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均
• 過(guò)去樣本的影響呈指數(shù)衰減
• 推薦值：$a=0.125$

設(shè)置超時(shí)

• $EstimtedRTT$ + 安全邊界時(shí)間
  • $EstimatedRTT$變化大(方差大) → 較大的安全邊界時(shí)間
• $SampleRTT$會(huì)偏離$EstimatedRTT$多遠(yuǎn)：
  • $DevRTT=(1?\beta )?DevRTT+\beta ?|SampleRTT?EstimatedRTT|$
  • 推薦值：$\beta =0.25$

超時(shí)時(shí)間間隔設(shè)置為：

• $TimeoutInterval=EstimatedRTT+4?DevRTT$

TCP：可靠數(shù)據(jù)傳輸

• TCP在IP不可靠服務(wù)的基礎(chǔ)上建立了rdt
  • 管道化的報(bào)文段
    • GBN or SR
  • 累計(jì)確認(rèn)
  • 單個(gè)重傳定時(shí)器
  • 是否可以接受亂序的，沒(méi)有規(guī)范
• 通過(guò)以下事件觸發(fā)重傳
  • 超時(shí)（只重發(fā)那個(gè)最早的未確認(rèn)段：SR）
  • 重復(fù)的確認(rèn)
• 首先考慮簡(jiǎn)化的TCP發(fā)送方：
  • 忽略重復(fù)的確認(rèn)
  • 忽略流量控制和擁塞控制

TCP發(fā)送方（簡(jiǎn)化版）

TCP發(fā)送方事件

<font color=red從應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)：

• 用nextseq創(chuàng)建報(bào)文段
• 序號(hào)nextseq為報(bào)文段首字節(jié)的字節(jié)流編號(hào)
• 如果還沒(méi)有運(yùn)行，啟動(dòng)定時(shí)器
  • 定時(shí)器與最早未確認(rèn)的報(bào)文段關(guān)聯(lián)（單個(gè)重傳定時(shí)器）
  • 過(guò)期間隔：TimeOutInterval

超時(shí)：

• 重傳后沿最老的報(bào)文段
• 重新啟動(dòng)定時(shí)器

收到確認(rèn)：

• 如果是對(duì)尚未確認(rèn)的報(bào)文段確認(rèn)
  • 更新已被確認(rèn)的報(bào)文序號(hào)（后沿移動(dòng)）
  • 如果當(dāng)前還有未被確認(rèn)的報(bào)文段，重新啟動(dòng)定時(shí)器 (發(fā)完，就關(guān)掉定時(shí)器)

偽代碼

上述操作的偽代碼

// 初始化
NextSeqNum = InitialSeqNum
SendBase = InitialSeqNum

// 一直循環(huán)
loop (forever) {
	// 判斷事件
	switch(event)
	
	// 如果收到了應(yīng)用層的數(shù)據(jù)
    event: data received from application above
    	// 用NextSeqNum創(chuàng)建TCPsegment
		create TCP segment with sequence number NextSeqNum
		// 如果定時(shí)器不在運(yùn)行的話，開(kāi)始
		if (timer currently not running)
			start timer
		// 傳給IP
		pass segment to IP
		// 前沿移動(dòng)
		NextSeqNum = NextSeqNum + length(data)

    event: timer timeout
		retransmit not-yet-acknowledged segment with
		smallest sequence number
	start timer

    event: ACK received, with ACK field value of y
		if (y > SendBase) {
			SendBase = y
			if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
			start timer
		}
} /* end of loop forever */

注釋：

• SendBase-1: 最后一個(gè)累積確認(rèn)的字節(jié)
• 例：
  • SendBase-1 = 71；y= 73, 因此接收方期望73+ ; y是ACK的值
  • y > SendBase，因此新的數(shù)據(jù)被確認(rèn)

TCP：重傳

接收方產(chǎn)生TCP ACK的建議

快速重傳

• 超時(shí)周期往往太長(zhǎng)
  • 在重傳丟失報(bào)文段之前的延時(shí)太長(zhǎng)
• 通過(guò)<font color=red重復(fù)的ACK來(lái)檢測(cè) 報(bào)文段丟失
  • 發(fā)送方通常連續(xù)發(fā)送大量 報(bào)文段
  • 如果報(bào)文段丟失，通常會(huì)引起多個(gè)重復(fù)的ACK

• 如果發(fā)送方收到同一數(shù)據(jù) 的3個(gè)冗余ACK，重傳最 小序號(hào)的段：
  • 快速重傳：在定時(shí)器過(guò)時(shí)之前重發(fā)報(bào)文段
  • 它假設(shè)跟在被確認(rèn)的數(shù)據(jù) 后面的數(shù)據(jù)丟失了
    • 第一個(gè)ACK是正常的；（比如第一個(gè)ACK=50，表明收到了49，是正常的，請(qǐng)求50）
    • 收到第二個(gè)該段的ACK，表 示接收方收到一個(gè)該段后的亂序段； （因?yàn)樵俅握?qǐng)求50）
    • 收到第3，4個(gè)該段的ack，表 示接收方收到該段之后的2個(gè) ，3個(gè)亂序段，可能性非常大段丟失了

快速重傳算法

event: ACK received, with ACK field value of y
	if (y > SendBase) {
		SendBase = y
		if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
			start timer
		}
		else { // 已確認(rèn)報(bào)文段的一個(gè)重復(fù)確認(rèn)
		increment count of dup ACKs received for y
		if (count of dup ACKs received for y = 3) {
		resend segment with sequence number y  // 快速重傳
		}

TCP 流量控制

接收方控制發(fā)送方，不讓發(fā)送方發(fā)送的太多、太快以至于讓 接收方的緩沖區(qū)溢出

• 接收方在其向發(fā)送方的TCP段 頭部的rwnd字段“通告”其空閑buffer大小
  • RcvBuffer大小通過(guò)socket選項(xiàng)設(shè)置 (典型默認(rèn)大小為4096 字節(jié))
  • 很多操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整 RcvBuffer
  • 發(fā)送方限制未確認(rèn)(“inflight”)字節(jié)的個(gè)數(shù)≤接收 方發(fā)送過(guò)來(lái)的 rwnd 值
• 保證接收方不會(huì)被淹沒(méi)

TCP連接管理

在正式交換數(shù)據(jù)之前，發(fā)送方和接收方握手建立通信關(guān)系:

• 同意建立連接（每一方都知道對(duì)方愿意建立連接）
• 同意連接參數(shù)

同意建立連接

在網(wǎng)絡(luò)中，2次握手建 立連接總是可行嗎？

• 變化的延遲（連接請(qǐng)求的段沒(méi)有丟，但可能超時(shí)）
• 由于丟失造成的重傳 (e.g. req_conn(x))
• 報(bào)文亂序
• 相互看不到對(duì)方

以下是兩次握手的問(wèn)題：

• 半連接
• 接受老數(shù)據(jù)問(wèn)題

三次握手

三次握手解決：半連接和接收老數(shù)據(jù)問(wèn)題

TCP三次握手 FSM

TCP關(guān)閉連接

• 客戶端，服務(wù)器分別關(guān)閉它自己這一側(cè)的連接
  • 發(fā)送FIN bit = 1的TCP段
• 一旦接收到FIN，用ACK回應(yīng)
  • 接到FIN段，ACK可以和它自己發(fā)出的FIN段一起發(fā) 送
• 可以處理同時(shí)的FIN交換

接收老數(shù)據(jù)問(wèn)題
[外鏈圖片轉(zhuǎn)存中…(img-IY4eQv16-1708397928036)]

TCP三次握手 FSM

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存中…(img-JuahJ8RB-1708397928036)]

TCP關(guān)閉連接

• 客戶端，服務(wù)器分別關(guān)閉它自己這一側(cè)的連接
  • 發(fā)送FIN bit = 1的TCP段
• 一旦接收到FIN，用ACK回應(yīng)
  • 接到FIN段，ACK可以和它自己發(fā)出的FIN段一起發(fā) 送
• 可以處理同時(shí)的FIN交換

文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-834276.html

到了這里，關(guān)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)——20面向連接的傳輸：TCP的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！