一、總述

TCP，Transmission Control Protocol，是一個(gè)面向連接、基于流式傳輸的可靠傳輸協(xié)議，考慮到的內(nèi)容很多，比如數(shù)據(jù)包的丟失、損壞、分片和亂序等，TCP協(xié)議通過多種不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。今天，重點(diǎn)分析重傳機(jī)制、滑動窗口，以及擁塞控制。

二、重傳機(jī)制

在三握四揮的過程中，服務(wù)器和客戶端之間就通過帶有不同標(biāo)志位的TCP報(bào)文來通知或判斷對端或本地是否成功建立、斷開連接。

接收主機(jī)在接收到數(shù)據(jù)之后往往都會返回一個(gè)應(yīng)答消息，網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，面對隨時(shí)可能發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失問題，TCP使用重傳機(jī)制解決。常見的重傳機(jī)制有以下四種：

• 超時(shí)重傳
• 快速重傳
• SACK
• D_SACK

(一) 超時(shí)重傳

超時(shí)重傳，顧名思義，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會設(shè)定一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)超過指定的時(shí)間過后，沒有收到對端的ACK確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文，就會重寫發(fā)送該數(shù)據(jù)。而這又可以分為兩種情況：

• 數(shù)據(jù)包丟失
• ACK確認(rèn)應(yīng)答丟失

在了解如何設(shè)置超時(shí)時(shí)間之前，先來看看什么是RTT（Round-Trip Time）往返時(shí)延。

RTT，往返時(shí)延，數(shù)據(jù)從一端到另一端。其中，往返這個(gè)詞是表明了什么范圍是所需的時(shí)間。

知道了RTT，在來看點(diǎn)相關(guān)的：RTO，Retransmission Timeout，直譯“超時(shí)重傳時(shí)間”。這個(gè)時(shí)間的設(shè)置毫無疑問關(guān)系到我們重傳機(jī)制的效率高低，看以下兩種情況：

• RTO>>RTT，重發(fā)慢，沒有效率；
• RTO<<RTT，包可能還沒到就開始重發(fā)，重發(fā)出去的包數(shù)量多了，網(wǎng)絡(luò)無疑會擁塞，超時(shí)的包越來越多，惡性循環(huán)。

那么結(jié)論顯而易見——RTO的值，應(yīng)該略大于RTT。

很容易想到的是，報(bào)文往返的RTT值會是經(jīng)常變化的，所以RTO也應(yīng)該是一個(gè)動態(tài)變化的值。（在Linux中，通常會采樣RTT的值然后加權(quán)算平均，不詳細(xì)談了）

而在超時(shí)時(shí)，TCP的策略是超時(shí)間隔加倍。

(二) 快速重傳

Fast Retransmit，快速重傳，不以時(shí)間為驅(qū)動，而以數(shù)據(jù)驅(qū)動重傳。

在上圖中，Seq2一直沒有成功被接收方收到，當(dāng)發(fā)送端收到三個(gè)Ack=2的確認(rèn)，就會在定時(shí)器過期之前，重傳丟失的Seq2。

不過，發(fā)送方并不知道Ack=2是誰傳回來的，那么是重傳Seq2還是把之前的所有包都重傳呢？根據(jù)TCP實(shí)現(xiàn)的不同，上述兩種情況都是可能的。

(三) SACK

SACK是指Selective Acknowledgment，選擇性確認(rèn)，這種方式通過在TCP頭部"選項(xiàng)"字段添加一個(gè)SACK，把緩存的地圖發(fā)送給發(fā)送方，這樣發(fā)送方就知道哪些數(shù)據(jù)需要重傳了。

如果要支持SACK，雙方都要支持，在Linux下，通過net.ipv4.tcp_sack這個(gè)參數(shù)打開（Linux2.4后默認(rèn)打開）。

(四) Duplicate SACK

D_SACK，主要使用SACK來通知發(fā)送方有哪些數(shù)據(jù)被重復(fù)接收了，下面通過兩個(gè)例子來說明，這個(gè)Duplicate到底有什么妙用。

• ACK丟包

發(fā)送端通過ACK和SACK就可以明確，是發(fā)出去的包丟了還是接收方返回的ACK確認(rèn)報(bào)文丟了。

• 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

在判定網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)，Duplicate的含義才更加明顯地體現(xiàn)了出來，即復(fù)制的、完全一樣的。

如上圖中提及，在經(jīng)歷了網(wǎng)絡(luò)延遲和三次相同ACK觸發(fā)快速重傳后，網(wǎng)絡(luò)延遲的包終于送達(dá)，此時(shí)返回ACK=3000，SACK=1000~1500（注意之前的SACK范圍總是大于ACK），就知道了這個(gè)SACK是D_SACK，是重復(fù)的包。

三、滑動窗口（流量控制）

(一) 滑動窗口

滑動窗口，Sliding Window，是一種流量控制機(jī)制，同時(shí)也是一種保持通信效率的技術(shù)。已知的是，每當(dāng)有一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)出，發(fā)送端總盼望得到一個(gè)ACK確認(rèn)；那么要是在得到ACK之前不做任何動作，效率的高低明顯可見。

為此，TCP引入了窗口的概念，通過指定窗口大?。〝?shù)據(jù)最大值），來進(jìn)行無需等待確認(rèn)應(yīng)答的通信。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，是由操作系統(tǒng)開辟一個(gè)緩存空間。在發(fā)送方得到確認(rèn)應(yīng)答前，已發(fā)送的數(shù)據(jù)都會保存在緩沖區(qū)，如果按期收到確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí)數(shù)據(jù)就可以從緩沖區(qū)清除。

如此一來，有了累計(jì)確認(rèn)（或累計(jì)應(yīng)答）模式：

• 那么引申出一個(gè)問題——窗口的大小由哪一方?jīng)Q定？

TCP報(bào)頭中有一個(gè)16位的字段：窗口尺寸Window，這個(gè)字段是由接收方通知發(fā)送方自己還有多少緩沖區(qū)可以用來接收數(shù)據(jù)。以免接收方無法正常接收到數(shù)據(jù)。

• 發(fā)送方，滑動窗口分為4個(gè)部分

它的工作方式很容易想到：ACK確認(rèn)一部分，可用窗口就擴(kuò)大一部分；當(dāng)發(fā)送窗口滿了，在接收ACK之前就不再發(fā)送數(shù)據(jù)。

• 接收方，滑動窗口分為3個(gè)部分

值得注意的是，兩個(gè)窗口的大小是約等于的關(guān)系，而不是一模一樣。因?yàn)榛瑒哟翱诓皇且怀刹蛔兊摹Ｈ绻邮辗降淖x取速度有了很大提升，會通過TCP報(bào)文通知發(fā)送方新的窗口大小。

(二) 窗口關(guān)閉問題

TCP中，通過接收方指定窗口尺寸來進(jìn)行流量控制。在通信中，當(dāng)接收方窗口被填滿，會向發(fā)送方說明窗口尺寸位0；等處理好數(shù)據(jù)后，才會又通告一個(gè)窗口非0的ACK報(bào)文。不過，要是這個(gè)非0報(bào)文丟失，就會陷入死鎖的狀態(tài)（雙方同時(shí)等待）。

• 窗口探測報(bào)文

為了解決這個(gè)問題，TCP為每個(gè)連接設(shè)置了一個(gè)持續(xù)計(jì)時(shí)器，只要收到0窗口通告，就啟動計(jì)時(shí)器。當(dāng)計(jì)時(shí)器超時(shí)，就會發(fā)送窗口探測報(bào)文，這個(gè)報(bào)文的用意顯而易見。（窗口探測的次數(shù)一般是3次）。

(三) 糊涂窗口問題

糊涂窗口是指接收方在處理數(shù)據(jù)時(shí)的速度過慢，導(dǎo)致窗口的尺寸不斷變小的現(xiàn)象。實(shí)際上就是兩個(gè)動作讓這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)：

• 接收方通告小窗口
• 發(fā)送方發(fā)送小數(shù)據(jù)

想要避免這種現(xiàn)象，解決上述兩個(gè)問題就好了。

1. 在接收方，當(dāng)窗口小于min(MSS, 緩存空間/2)，就會告知對方0窗口，到后面合適的時(shí)機(jī)再通知非0窗口。
2. 在發(fā)送方，使用Nagle算法進(jìn)行延時(shí)處理，要等到發(fā)送窗口大小>=MSS，或者接收到ACK確認(rèn)報(bào)文，才會停止囤積數(shù)據(jù)。這個(gè)算法是默認(rèn)打開的，在使用telnet和ssh等交互性比較強(qiáng)的程序時(shí)，通過TCP_NODELAY來關(guān)閉。

四、擁塞控制

(一) 什么是擁塞

上文的流量控制是避免發(fā)送方的數(shù)據(jù)填滿接收方的緩存，而擁塞控制，則是為了避免在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境處于擁堵時(shí)，還繼續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包的手段（可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包時(shí)延、丟失等，重傳也會加重?fù)砣?/p>

那么很明顯，擁塞控制是在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)的。為了調(diào)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)的量，定義了“擁塞窗口”的概念。

(二) 什么是擁塞窗口

擁塞窗口，是一個(gè)由發(fā)送方維護(hù)的狀態(tài)變量，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度動態(tài)變化。前面的發(fā)送窗口和接收窗口在有了擁塞窗口的加入以后，是這樣的關(guān)系：

• 發(fā)送=min(擁塞，接收)

擁塞窗口的動態(tài)變化也很簡答：有擁塞，就變小；沒擁塞，就變大。

(三) 如何判斷擁塞

只要發(fā)送方?jīng)]在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接收到ACK確認(rèn)報(bào)文（發(fā)生超時(shí)重傳），就會認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞。

(四) 擁塞控制算法——慢啟動

TCP在剛建立完連接后，會經(jīng)歷慢啟動，逐步提高發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量。規(guī)則是：

• 發(fā)送方每收一個(gè)ACK，擁塞窗口cwnd的大小就增加1。

所以，這個(gè)增長是指數(shù)性的。

那什么時(shí)候是個(gè)頭呢？——當(dāng)達(dá)到慢啟動門限(slow start threshold)后，就會使用擁塞避免算法。

(五) 擁塞避免算法

慢啟動門限ssthresh一般的大小為65535字節(jié)，在進(jìn)入擁塞避免算法后，窗口增長的規(guī)則是：

• 每當(dāng)收到一個(gè)ACK，cwnd增加1/cwnd。

如此一來，線性增長。

在此后一直增長，網(wǎng)絡(luò)就會進(jìn)入擁塞的狀態(tài)，出現(xiàn)丟包和丟包重傳，觸發(fā)了重傳，也就進(jìn)入了擁塞發(fā)生算法。

(六) 擁塞發(fā)生

在上文提到過，重傳的機(jī)制也有兩種：1. 超時(shí)重傳，2. 快速重傳。接下來進(jìn)行分述：

• 超時(shí)重傳的擁塞發(fā)生算法

ssthresh設(shè)置為cwnd/2，cwnd重置為1，然后重新開始慢啟動。不過這種方式會突然減少數(shù)據(jù)流，可能網(wǎng)絡(luò)卡頓（就像是急剎車）。

• 快速重傳的擁塞發(fā)生算法

在快速重傳時(shí)，接收方發(fā)送三次前一個(gè)包的ACK通知發(fā)送端重傳（大部分沒丟，只丟了小部分）。

cwnd=cwnd/2，ssthresh=cwnd，然后進(jìn)入快速恢復(fù)算法。

(七) 快速恢復(fù)

快速重傳一般和快速恢復(fù)算法同時(shí)使用，這種情況會判斷網(wǎng)絡(luò)情況并不是特別嚴(yán)峻，反映也不會像RTO那樣強(qiáng)烈。

快速恢復(fù)算法：

• cwnd=ssthresh+3
• 重傳丟失的數(shù)據(jù)包
• 如果再收到重復(fù)的ACK，cwnd+1
• 如果收到新ACK（說明D_SACK時(shí)的數(shù)據(jù)全部收到，恢復(fù)過程結(jié)束），cwnd=ssthresh，恢復(fù)到之前二點(diǎn)擁塞避免狀態(tài)。

本文作為筆記，圖片來源：

30 張圖解： 面試必問的 TCP 重傳、滑動窗口、流量控制、擁塞控制_面試回答 tcp流量控制-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_34827674/article/details/105606205文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-846648.html

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