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20200715——计算机网络 tcp详解

热度:82   发布时间:2024-01-28 17:30:57.0

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tcp的阻塞控制

本文将例举目前 Linux 内核默认的 Reno 算法和 Google 的 BBR 算法进行说明
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慢启动

一开始不要发送大量的数据,先探测一下网络的拥塞程度。从小到大逐渐增加拥塞窗口的大小,在没有出现丢包的时候,每收到一个ack就将拥塞窗口大小+1,单位是MSS,最大单个报文长度。每次发送窗口增大一倍,呈指数增长,若出现丢包,则将拥塞窗口减半,进入拥塞避免状态。

拥塞避免

当窗口达到满启动阈值或出现丢包的时候,进入拥塞避免状态,窗口每轮增长+1,呈线性增长。当收到对方三个重复的ack的时候,认为这个报文的下一个报文丢失了。进入快重穿阶段,要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方,可提高网络吞吐量约20%)而不要等到自己发送数据时捎带确认;

快恢复

快重传完成后进入快恢复阶段,将慢启动阈值修改为当前拥塞窗口值的一半,同时拥塞窗口值等于慢启动阈值,然后进入拥塞避免阶段,重复上述过程。

重传机制

TCP 实现可靠传输的方式之一,是通过序列号与确认应答。

在 TCP 中,当发送端的数据到达接收主机时,接收端主机会返回一个确认应答消息,表示已收到消息。

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接下来说说常见的重传机制:

超时重传
快速重传
SACK
D-SACK

超时重传

重传机制的其中一个方式,就是在发送数据时,设定一个定时器,当超过指定的时间后,没有收到对方的 ACK 确认应答报文,就会重发该数据,也就是我们常说的超时重传。

数据包丢失
确认应答丢失
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超时重传的时间设置

RTT(Round-Trip Time 往返时延)
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假设在重传的情况下,超时时间 RTO 「较长或较短」时,会发生什么事情呢?

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当超时时间 RTO 较大时,重发就慢,丢了老半天才重发,没有效率,性能差;
当超时时间 RTO 较小时,会导致可能并没有丢就重发,于是重发的就快,会增加网络拥塞,导致更多的超时,更多的超时导致更多的重发

根据上述的两种情况,我们可以得知,超时重传时间 RTO 的值应该略大于报文往返 RTT 的值。

我们来看看 Linux 是如何计算 RTO 的呢?

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在 Linux 下,α = 0.125,β = 0.25, μ = 1,? = 4。别问怎么来的,问就是大量实验中调出来的。

快速重传

TCP 还有另外一种快速重传(Fast Retransmit)机制,它不以时间为驱动,而是以数据驱动重传。
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所以,快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时,会在定时器过期之前,重传丢失的报文段。

快速重传机制只解决了一个问题,就是超时时间的问题,但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候,是重传之前的一个,还是重传所有的问题。

比如对于上面的例子,是重传 Seq2 呢?还是重传 Seq2、Seq3、Seq4、Seq5 呢?因为发送端并不清楚这连续的三个 Ack 2 是谁传回来的。

根据 TCP 不同的实现,以上两种情况都是有可能的。可见,这是一把双刃剑。

为了解决不知道该重传哪些 TCP 报文,于是就有 SACK 方法。

SACK 方法

还有一种实现重传机制的方式叫:SACK( Selective Acknowledgment 选择性确认)。

这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西,它可以将缓存的地图发送给发送方,这样发送方就可以知道哪些数据收到了,哪些数据没收到,知道了这些信息,就可以只重传丢失的数据。在这里插入图片描述

Duplicate SACK

Duplicate SACK 又称 D-SACK,其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。

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滑动窗口

我们都知道 TCP 是每发送一个数据,都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了, 再发送下一个。

这个模式就有点像我和你面对面聊天,你一句我一句。但这种方式的缺点是效率比较低的。

如果你说完一句话,我在处理其他事情,没有及时回复你,那你不是要干等着我做完其他事情后,我回复你,你才能说下一句话,很显然这不现实。在这里插入图片描述

所以,这样的传输方式有一个缺点:数据包的往返时间越长,通信的效率就越低。

为解决这个问题,TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下,它也不会降低网络通信的效率。

那么有了窗口,就可以指定窗口大小,窗口大小就是指无需等待确认应答,而可以继续发送数据的最大值。

窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间,发送方主机在等到确认应答返回之前,必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答,此时数据就可以从缓存区清除。

假设窗口大小为 3 个 TCP 段,那么发送方就可以「连续发送」 3 个 TCP 段,并且中途若有 ACK 丢失,可以通过「下一个确认应答进行确认」。

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图中的 ACK 600 确认应答报文丢失,也没关系,因为可以通话下一个确认应答进行确认,只要发送方收到了 ACK 700 确认应答,就意味着 700 之前的所有数据「接收方」都收到了。这个模式就叫累计确认或者累计应答。

窗口大小由谁控制

TCP 头里有一个字段叫 Window,也就是窗口大小。

这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。

所以,通常窗口的大小是由接收方的决定的。

发送方发送的数据大小不能超过接收方的窗口大小,否则接收方就无法正常接收到数据。

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流量控制

发送方不能无脑的发数据给接收方,要考虑接收方处理能力。

如果一直无脑的发数据给对方,但对方处理不过来,那么就会导致触发重发机制,从而导致网络流量的无端的浪费。

为了解决这种现象发生,TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量,这就是所谓的流量控制。

前面的流量控制例子,我们假定了发送窗口和接收窗口是不变的,但是实际上,发送窗口和接收窗口中所存放的字节数,都是放在操作系统内存缓冲区中的,而操作系统的缓冲区,会被操作系统调整。

窗口关闭

在前面我们都看到了,TCP 通过让接收方指明希望从发送方接收的数据大小(窗口大小)来进行流量控制。

如果窗口大小为 0 时,就会阻止发送方给接收方传递数据,直到窗口变为非 0 为止,这就是窗口关闭。

接收方向发送方通告窗口大小时,是通过 ACK 报文来通告的。

那么,当发生窗口关闭时,接收方处理完数据后,会向发送方通告一个窗口非 0 的 ACK 报文,如果这个通告窗口的 ACK 报文在网络中丢失了,那麻烦就大了。在这里插入图片描述

TCP 是如何解决窗口关闭时,潜在的死锁现象呢

为了解决这个问题,TCP 为每个连接设有一个持续定时器,只要 TCP 连接一方收到对方的零窗口通知,就启动持续计时器。

如果持续计时器超时,就会发送窗口探测 ( Window probe ) 报文,而对方在确认这个探测报文时,给出自己现在的接收窗口大小。

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如果接收窗口仍然为 0,那么收到这个报文的一方就会重新启动持续计时器;
如果接收窗口不是 0,那么死锁的局面就可以被打破了。

窗口探查探测的次数一般为 3 此次,每次次大约 30-60 秒(不同的实现可能会不一样)。如果 3 次过后接收窗口还是 0 的话,有的 TCP 实现就会发 RST 报文来中断连接。

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