【计算机网络】TCP协议——3. 可靠性策略&效率策略

?前言

TCP是一种可靠的协议，提供了多种策略来确保数据的可靠性传输。

可靠并不是保证每次发送的数据，对方都一定收到；而是尽最大可能让数据送达目的主机，即使丢包也可以知道丢包。

目录

一. 确认应答和捎带应答机制

二. 超时重传

超时时间

三. 滑动窗口

1. 滑动窗口的实现

2. 滑动窗口的相关问题(快重传)?

3. 延迟应答

四. 流量控制

五. 拥塞控制

六. 面向字节流&粘包问题

TCP小结

结束语

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一. 确认应答和捎带应答机制

在上篇博客说到，TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号。

序列号，既是TCP面向字节流的体现，也对发送的数据进行了排序，即编号小的，一定是先发送的。接收方在收到TCP报文后，根据报头中的序列号，将TCP报文按照序号顺序放入接收缓冲区

TCP协议规定，接收方接收数据，必须发送确认报文。这就是确认应答

序列号和确认号就是TCP缓冲区的编号(下标)

• 序列号：表示本报文第一个字节的编号(在缓冲区的下标)。在TCP连接中，所传输的字节流的每一个字节都会按顺序编号
• 确认号：在客户服务器模式中，当发送方给接收方发送数据，接收方只要接收到数据，必须给发送方发送确认报文。此时报文中的确认号，表示接收方期望收到发送方下一个报文的第一个字节的编号，相当于告诉发送方，这个序号之前的报文我都收到了。接收方收到数据后，根据序号给出确认序号，发送给发送方，发送方就知道接收方收到了哪些数据。确认号通常和序列号搭配使用。如下图

确认应答是一种特殊的报文(ACK)，所谓应答报文，本质是ACK标志位字段为1的报文，此时“确认序号”字段才生效

初始序号是随机的，为了防止网络攻击；如果发送多个数据，每个数据都会带着一个序号。

和确认应答搭配使用的是捎带应答，即一方返回确认应答ACK报文时，也可以携带要发送给对方的数据。

比如客户端给服务器发送“How are you?”，接收方收到数据后，发送ACK确认报文，同时可以在报文中附上有效载荷(数据)：“Fine,thank you”。

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确认应答不仅让发送方知晓哪些报文收到了，还可以提高双方通信的效率

上图线性的通信效率较低，确认应答可以让双方一次性发送多个报文

发送方一次发送多个报文，接收方一次性接收并发送多个确认应答

即使中间的确认应答丢失：比如2001的确认应答丢失，但发送方只要接收到4001的确认应答，就代表4001前的报文，接收方都收到了；若1001~2000的报文丢失，那么接收方即使收到了后面的额2001~3000的报文，也只会给发送方返回1001的确认应答，如此发送方也能知晓1001~2000的报文丢失，进而使用接下来的策略——超时重传

二. 超时重传

确认应答是比较理想的情况，数据在网络传输中，是可能会丢包的。

报文如果成功送达接收方，接收方会发送确认报文，发送方就知道报文成功送达。但也可能出现如下两种情况：

• 发送方的报文丢失
• 接受方的确认报文丢失

这两种情况，发送方都不会收到接收方的确认报文。

TCP规定，在报文发送后的一个时间间隔后，如果还没收到确认报文，发送方一律认为报文丢失，重新发送该报文，这就是超时重传。

也有可能报文或确认报文因为网络拥塞而延迟送达对方主机，此时发送方也会超时重传，因此主机B会收到很多重复数据，那么TCP协议需要能够识别出哪些报文是重复的，并把重复的报文丢弃——根据报文的序列号就可以知道哪些报文是重复的

超时时间

超时时间如何确定呢？

• 最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证“确认应答一定能在这个时间内返回”
• 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。
• 如果超时时间设置太长，会影响整体的重传效率
• 如果超时时间设置太短，可能会频繁发送重复的报文

TCP为了保证在任何环境下都能有比较高性能的通信，因此会动态计算这个最大超时时间

• Linux中(BSD Unix和Windows也是如此)，超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重传的超时时间都是500ms的整数倍
• 如果重发一次之后，仍得不到应答，等待2*500ms后再进行重传
• 如果仍得不到应答，等待4*500ms进行重传，以此类推，以指数形式递增
• 累计到一定的重传次数，TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接

三. 滑动窗口

上述我们了解到，发送方可以一次性发送多个报文，那么报文数量是如何确定的呢？

在TCP报文中，有一个16位窗口大小，该字段反应了发送该报文的主机进程的接收缓冲区剩余大小，即接收能力。

在通信双方建立连接，进行三次握手时，就会通报对方自己的窗口大小——即接收能力，双方基于每次通信报文中的窗口大小，动态的调整自己将要发送给对方的报文数量。这就是滑动窗口的原理

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1. 滑动窗口的实现

在发送缓冲区中，有编号，即序列号的存在。滑动窗口是根据对端发送的窗口大小，将发送缓冲区划分成三部分。

?滑动窗口就是可发送，未收到应答的部分。

• 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值，上图的窗口大小就是4000字节(四个段)
• 发送滑动窗口内的四个分段时，不需要等待任何ACK，直接发送。原先发送1~1000，要等待1001的确认报文，才能发送1001~2000。但在滑动窗口范围内的报文，可以不用收到ACK，直接发送。
• 收到一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据，以此类推

• 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉(被后续数据覆盖)
• 窗口越大，则网络的吞吐率越高

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代码实现上

操作系统可以维护两个变量——win_start和win_end，表示滑动窗口开始的序号和结束的序号

在收到一个确认报文后，确认报文中的seq确认序号，指示发送方下一次发送的序号，窗口大小(win)指示滑动窗口的大小(目前)

2. 滑动窗口的相关问题(快重传)?

问题1：滑动窗口只能向右滑动吗？向左可以吗？

回答：只能向右。因为滑动窗口将发送缓冲区划分为三个部分，左边部分是已经发送的数据且受到应答，不应该再发送。

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问题2：滑动窗口能变大吗？能变小吗？能变0吗，表示什么意思？

回答：滑动窗口的大小取决于对方通告的win大小，即窗口大小(目前)，当然可以变大或变小。变0表示对方暂时不能接受数据，可能是接收缓冲区已满

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问题3：滑动窗口能一直向右滑动吗？不会越界？

回答：发送缓冲区被设计成环形队列，所以可以一直向右滑动，滑动窗口左边的部分，也会在后续被新的数据覆盖

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问题4：出现丢包问题，如何进行重传？

这里分两种情况讨论：

情况一：数据包到达对方数据，ACK确认报文丢失

此时，部分ACK丢失不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认。

即使ACK=2001的确认报文丢失，但发送方收到ACK=5001的确认报文，这就代表接收方5001前的报文都已收到

情况二：数据包丢失

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• 当某一段报文丢失后，发送方会一直收到1001这样的ACK。
• 如果发送端主机连续三次收到同样一个“ACK=1001”这样的确认报文，就会立刻将1001~2000的报文重新发送
• 此时，接收端收到1001~2000的报文后，再次返回的确认报文ACK=7001(7001前的报文全部收到)

这种机制被称为“高速重发机制”，也叫快重传

3. 延迟应答

如果接收数据的主机立刻返回ACK，此时返回的窗口可能比较小

• 假设接收方缓冲区为1M，一次收到500K的数据，如果立刻应答，返回的窗口大小就是500K
• 但实际上上层可能处理速度很快，10ms之内就把500K的数据从缓冲区消费掉了
• 在这种情况，接收端还远远没有达到自己的极限，即使发送数据再多些也能处理过来
• 所以如果接收端能稍等一会应答，可能可以返回更大的窗口大小

窗口越大，网络吞吐量越大，传输效率越高。

延迟应答一般有如下限制：

• 数量限制：每隔N个包就应答一次
• 时间限制：超过最大延迟时间就应答一次

具体数量和超时时间，不同操作系统各有不同，一般N取2，超时时间为200ms

四. 流量控制

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，此时如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应

因此TCP支持根据接收端的接受能力，来决定发送端的发送速度，这个机制就叫做“流量控制(Flow Control)”

• 接收端将自己可以接受的缓冲区大小放入TCP首部中的“窗口大小”字段，通过ACK端通知发送端；
• 窗口大小字段越大，网络的吞吐率越高
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端
• 发送端接收这个窗口大小后，减慢自己的发送速度
• 如果接收缓冲区满了，就会将窗口设置为0；此时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测报文，知晓接收方的窗口大小

窗口字段为16位，最大表示65535字节，但其实窗口大小还可以更大

在TCP首部的选项字段，有一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是，窗口字段的值左移M位，即2^(16+M)?字节

详细可参看：【计算机网络】TCP协议报头详解

五. 拥塞控制

滑动窗口既体现了TCP的可靠性，又提高了性能。但网络通信还需要考虑网络拥塞情况，所以TCP还需要拥塞控制。

网络中有很多主机，如果当前网络状态比较拥堵，在不清楚当前网络状态下，盲目根据接收方窗口大小发送数据，可能导致网络更为拥堵。

TCP引入慢启动机制——先发送少量数据，探测网络信道状态，了解当前网络拥堵情况，再决定按照多大的速度传输数据

此处引入一个概念——拥塞窗口，其大小为swnd

慢开始的思路是

• 刚开始将cwnd设置成为一个MSS的数值，每经过一个传输轮次cwnd就加倍。传输轮次：拥塞窗口所允许的发送的报文都连续发出去，且收到了对已发送的最后一个字节的确认
• 因为是加倍(指数)增长，为了防止增长过度，引起网络阻塞，还设置一个慢开始门限(阈值)ssthresh。当cwnd超过ssthresh时，就改为拥塞避免算法，也就是线性缓慢增长。
• 当TCP开始启动时，慢启动阈值等于窗口最大值
• 在每次超时重传后，慢启动阈值会变成检测到网络拥塞时的窗口大小的一半，同时将拥塞窗口cwnd设置为1

少量的丢包，触发超时重传；大量的丢包，认为是网络拥塞。当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升，随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降

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注意：发送方的发送窗口，会根据接收方反馈的接收窗口和自身维护的拥塞窗口，取较小值作为实际发送的窗口大小

六. 面向字节流&粘包问题

面向字节流

创建一个TCP的socket，同时在内核中创建一个发送缓冲区和接收缓冲区

• 调用write，数据会先写入发送缓冲区
• 如果发送的数据太长，会被拆分成多个TCP数据包
• 如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多，或者其他合适的时机发出
• 接收数据时，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区
• 然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据
• 另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区。可以同时读写数据，这个概念叫做全双工

由于缓冲区的存在，TCP程序的读和写不需要一一匹配。

• 写100个字节数据时,可以调用一次write写100个字节,也可以调用100次write,每次写一个字节;
• 读100个字节数据时,也完全不需要考虑写的时候是怎么写的,既可以一次read 100个字节,也可以一次read一个字节,重复100次;

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粘包问题

粘包问题中的"包" ，指的是应用层的数据包。在TCP的协议头中,没有如同UDP一样的"报文长度"这样的字段,但是有一个序号这样的字段。

• 站在传输层的角度, TCP是一个一个报文过来的.按照序号排好序放在缓冲区中。
• 站在应用层的角度,看到的只是一串连续的字节数据。那么应用程序看到了这么一连串的字节数据,就不知道从哪个部分开始到哪个部分,是一个完整的应用层数据包。

不同数据粘连，就是粘包问题

明确两个包之间的边界，是避免粘包问题的根本：

• 对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；
• 对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位置;
• 对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议，是程序猿自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可);

注意：对于UDP协议，不存在粘包问题，因为UDP报头中有总长度，并且UDP是面向数据报的，有明确的数据边界。站在应用层的角度，使用UDP时，要么收到完整的UDP报文，要么不收，不会出现“半个报文”的情况

TCP小结

TCP协议可靠性机制有：

• 校验和
• 序列号（按序到达）
• 确认应答
• 超时重传
• 连接管理
• 流量控制
• 拥塞控制

提高性能：

• 滑动窗口
• 快重传
• 延迟应答
• 捎带应答

其他：

定时器(超时重传定时器，保活定时器(连接)，TIME_WAIT定时器等)

保活计时器和TIME_WAIT计时器可参看：【计算机网络】连接管理(三次握手，四次挥手)

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基于TCP的应用层协议：HTTP，HTTPS，SSH，Telnet，FTP，SMTP。

结束语

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