tcp重传机制，流量控制，拥塞控制

tcp

重传机制

方式

• 超时重传

  • 概念

    • 发送数据时设定一个定时器，若在指定时间内没有收到应答报文，就会重发数据

  • 发生超时重传的时机

    • 数据包丢失
    • 确认应答丢失

  • 超时时间RTO选择

    • 略大于RTT
    • 重传超时策略：超时时间间隔加倍

• 快速重传

  • 概念

    • 发送方可以一次发送多个数据包，若中间的某个数据包丢失了，接收方会一直回复这个丢失的数据包应答报文，接收方若收到三次这个数据包的应答报文，就知道该报文还没有被接收方收到，可以重传这个数据包

  • 问题

    • 因为接收方对后续的数据包也返回了丢失的那个应答报文，所以发送方不知道后续的数据包是否丢失，也就不知道应该重传丢失的数据包还是把后续的数据包都重传

• SACK

  • 概念

    • 选择性重传，解决快速重传不知道重传哪些报文的缺点

  • 实现方式

    • 在tcp头部“选项”字段里加一个SACK，将缓存的地图发送给发送方，这样发送方就知道哪些数据接收方收到了，哪些数据接收方没有收到，以便重传接收方没有收到的数据

  • 参数

    • 要开启SACK，需要发送方和接收方都支持：net.ipv4.tcp_sack，linux2.4以后默认打开

• D-SACK

  • 概念

    • 对SACK的扩展，通过SACK告诉发送方哪些数据被重复接收了

  • 实现方式

    • 若有发送方有重复发送数据包，会通过SACK告诉发送方这这个数据包已被发送过

  • 好处

    • 发送方能够知道是发出去的包丢了还是接收方发送的ACK丢了

      • SACK若告知这个包已被发送过，那么说明是接收方发送的ACK丢了

    • 发送方可以知道发出去的数据包是否被网络延迟了

      • 发送方在延迟之后会重发数据包，之前的数据包若一段时间后到达了接收方，接收方返回的应答报文中能看到该数据包已经被接收了，是个重复的报文，说明被网络延迟了，而重发的数据包已被收到

序列号与确认应答（ACK）保证了tcp的可靠传输

滑动窗口

引入原因

• 每发送一个数据都需要进行确认应答，收到了再发送下一个，效率比较低。在窗口大小限制范围内，可以无需等待上一个数据包应答，就可以继续发送下一个数据包

错误处理

• 累计应答

  • 发送数据包丢失

    • 若发送方发送了一批数据包，中间的某个数据包丢失，那么接收方回复应答时ACK会回复丢失的那个数据包，这样接收方就知道丢失的数据包是哪一个，因此可以重新发送；

  • 应答报文丢失

    • 若接收方返回的这一组数据包中，某一个应答报文丢失了，只要最后一个应答报文发送成功了，接收方就知道这个数据包的其实是收到了的

窗口大小

• tcp头里的字段window

  • 接收方通过这个字段告诉接收方自己还有多少缓冲区可以接收数据，发送方就可以根据接收方的处理来发送数据，以免导致接收方处理不过来，因此窗口的大小是由接收方决定的

• 接收方和发送方的窗口

  • 接收方和发送方的窗口大小基本相等，因为发送方的窗口大小取决于接收方，当接收方处理能力快，窗口变大，通过tcp报文中的window字段告诉接收方，若传输过程中出现了延迟，所以这时两个窗口大小不一致

拥塞控制

概念

• 流量控制是避免发送方填满接收方的缓存，但若因为其他主机之间的通信造成网络拥堵，会有超时和丢包发生，这样会导致重传 ，网络负担会更大，进入恶性循环，所以tcp不能忽略网络上发生的事，当网络发生拥堵时，它会降低数据的发送量。拥塞控制的目的就是避免发送方的数据填满整个网络

拥塞窗口cwnd

• 发送窗口swnd和接收窗口rwnd是约等于的关系，有了拥塞窗口的概念后，发送窗口swnd=min(cwnd, rwnd)

  • 网络中没有出现拥塞，cwnd会增大，反之会减小

• 判断网络拥塞的方法

  • 发生超时重传

• 相关算法

  • 慢启动

    • tcp刚建立连接完成，会有个慢启动的过程，一点一点提高发送数据包的数量
    • 每接收到一个ack，cwnd大小就会加1，初始化时，cwnd大小为1，即cwnd大小按指数级增长

    • ssthreshold，slow start thresold，慢启动门限

      • 当cwnd < ssthreshold时，会采用慢启动算法
      • 当cwnd >= ssthreshold时，会使用拥塞避免算法

  • 拥塞避免

    • 每收到一个ack，cwnd增加1/cwnd。即囤积了cwnd这么多个包后，一次性发送过去。之后都会这样发送，cwnd按线性增长
    • 当一直这么增长，会慢慢进入拥塞状况，于是开始出现丢包现象，这时需要对丢失的数据进行重传，当触发了重传机制也就进入了拥塞发生算法

  • 拥塞发生

    • 超时重传

      • ssthreshold设为cwnd/2
      • cwnd设为1
      • 即一旦发生超时重传就重新进入慢启动

    • 快速重传

      • 当接收方发现丢了一个中间包时，会发送三次丢失包的ack，发送方收到后就会快速重传丢失的包

      • tcp认为这时候拥塞并不严重，只丢了一小部分包，于是

        • cwnd = cwnd/2
        • ssthreshold变为cwnd
      • 然后进入快速恢复算法

  • 快速恢复

    • cwnd = ssthresold+3
    • 重传丢失的数据包
    • 如果再收到重复的ack，那么cwnd+1
    • 收到新的ack后，cwnd变为ssthreshold，然后进入拥塞避免算法

流量控制

概念

• 流量控制是基于滑动窗口实现的，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

问题

• 描述

  • 接收方收到了太多数据，暂时不能接收数据了，于是返回了window大小为0
  • 发送方发现window大小为0，于是暂时不再发送数据包了
  • 接收方处理完数据，可以继续处理了，于是在之前已处理完的数据包的应答报文中更新窗口大小，但是该应答报文丢失了，导致接收方没能收到，于是就一直不发送新的数据包了，出现了死锁

• 解决方法

  • tcp为每个连接设定一个持续计时器，只有发起连接的一方从对方收到零窗口通知，就启动计时器；如果持续计时器超时，就会发送窗口探测报文，对方会给出自己现在接收窗口的大小
  • 窗口探测次数一般为3次，每次大约30-60秒，如果三次后窗口还是0，有的tcp实现会发起RST报文来中断连接

糊涂窗口综合症

• 发送方

  • 发送方虽然知道窗口很大，但是每次都只发送很少的数据

• 接收方

  • 接收方太忙，每次都只能从window中取出很少的数据，然后通知发送方，这样发送方每次也只发送很少的数据

• 问题

  • 每次都只传输小包，效率低

• 解决方法

  • 让接收方不通知小窗口给发送方

    • 当窗口大小小于min(mss,(缓存空间/2))时，就会向发送方通知窗口为0，阻止发送方后续发送数据过来

      • 注mss，Maximum Segment Size，最大报文长度,MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度，不包括TCP首部的长度

  • 让发送方不发送小包

    • Nagel算法

      • 发送条件

        • 等到窗口大小>=mss或数据大小>=mss
        • 收到之前发送数据的ack应答
      • 满足发送条件的两点才会发送

      • 设置关闭

        • Nagel算法默认开启，若想要关闭，需要在socket设置TCP_NODELAY来关闭。没有全局参数，需要每个应用根据自己的特点来关闭