确认应答机制与超时重发机制【TCP原理(笔记一)】

文章目录

    • 通过序列号与确认应答提高可靠性
      • 正常的数据传输
      • 数据包丢失的情况
      • 确认应答丢失的情况
      • 发送的数据
    • 重发超时如何确定

通过序列号与确认应答提高可靠性

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已收到消息的通知。这个消息叫做确认应答(ACK(ACK(Positive Acknowled-gement)意指已经接收。) )。

确认应答机制的基本原理

  1. 发送方将数据分割成称为TCP段(TCP segment)的较小单元,并为每个段分配一个唯一的序列号。
  2. 发送方将这些TCP段发送给接收方,并启动一个定时器来跟踪每个已发送段的确认。
  3. 接收方收到TCP段后,将按序将它们重新组装成完整的数据流,并发送一个确认(ACK)给发送方。确认中包含接收到的最高序列号,表示该序列号之前的所有数据都已正确接收。
  4. 发送方在接收到确认后,会停止相应定时器,并继续发送下一个序列号的TCP段。
  5. 如果发送方在定时器超时之前未收到确认,它将重新发送未确认的TCP段。

通常,两个人对话时,在谈话的停顿处可以点头或询问以确认谈话内容。如果对方迟迟没有任何反馈,说话的一方还可以再重复一遍以保证对方确实听到。因此,对方是否理解了此次对话内容,对方是否完全听到了对话的内容,都要靠对方的反应来判断。网络中的“确认应答”就是类似这样的一个概念。当对方听懂对话内容时会说:“嗯”,这就相当于返回了一个确认应答(ACK)。而当对方没有理解对话内容或没有听清时会问一句“咦?”这好比一个否定确认应答(NACK(NACK(Negative Acknowledgement)) )。

正常的数据传输

确认应答机制与超时重发机制【TCP原理(笔记一)】_第1张图片
TCP通过肯定的确认应答(ACK)实现可靠的数据传输。当发送端将数据发出之后会等待对端的确认应答。如果有确认应答,说明数据已经成功到达对端。反之,则数据丢失的可能性很大。

如图所示,在一定时间内没有等到确认应答,发送端就可以认为数据已经丢失,并进行重发。由此,即使产生了丢包,仍然能够保证数据能够到达对端,实现可靠传输。

数据包丢失的情况

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未收到确认应答并不意味着数据一定丢失。也有可能是数据对方已经收到,只是返回的确认应答在途中丢失。这种情况也会导致发送端因没有收到确认应答,而认为数据没有到达目的地,从而进行重新发送。如图所示。

确认应答丢失的情况

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此外,也有可能因为一些其他原因导致确认应答延迟到达,在源主机重发数据以后才到达的情况也履见不鲜。此时,源发送主机只要按照机制重发数据即可。但是对于目标主机来说,这简直是一种“灾难”。它会反复收到相同的数据。而为了对上层应用提供可靠的传输,必须得放弃重复的数据包。为此,就必须引入一种机制,它能够识别是否已经接收数据,又能够判断是否需要接收。

上述这些确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号实现。序列号是按顺序给发送数据的每一个字节(8位字节)都标上号码的编号(序列号的初始值并非为0。而是在建立连接以后由随机数生成。而后面的计算则是对每一字节加一。) 。接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据的长度,将自己下一步应该接收的序号作为确认应答返送回去。就这样,通过序列号和确认应答号,TCP可以实现可靠传输。

发送的数据

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  • 序列号(或确认应答号)也指字节与字节之间的分隔。
  • TCP的数据长度并未写入TCP首部。实际通信中求得TCP包的长度的计算公式是:IP首部中的数据包长度-IP首部长度TCP首部长度。

重发超时如何确定

重发超时是指在重发数据之前,等待确认应答到来的那个特定时间间隔。如果超过了这个时间仍未收到确认应答,发送端将进行数据重发。那么这个重发超时的具体时间长度又是如何确定的呢?

最理想的是,找到一个最小时间,它能保证“确认应答一定能在这个时间内返回”。然而这个时间长短随着数据包途径的网络环境的不同而有所变化。例如在高速的LAN中时间相对较短,而在长距离的通信当中应该比LAN要长一些。即使是在同一个网络中,根据不同时段的网络拥堵程度时间的长短也会发生变化。

TCP要求不论处在何种网络环境下都要提供高性能通信,并且无论网络拥堵情况发生何种变化,都必须保持这一特性。为此,它在每次发包时都会计算往返时间(Round Trip Time也叫RTT。是指报文段的往返时间。) 及其偏差(RTT时间波动的值、方差。有时也叫抖动。) 。将这个往返时间和偏差相加重发超时的时间,就是比这个总和要稍大一点的值。

重发超时的计算既要考虑往返时间又要考虑偏差是有其原因。如图所示,根据网络环境的不同往返时间可能会产生大幅度的摇摆,之所以发生这种情况是因为数据包的分段是经过不同线路到达的。TCP/IP的目的是即使在这种环境下也要进行控制,尽量不要浪费网络流量。
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在BSD的Unix以及Windows系统中,超时都以0.5秒为单位进行控制,因此重发超时都是0.5秒的整数倍(偏差的最小值也是0.5秒。因此最小的重发时间至少是1秒。) 。不过,由于最初的数据包还不知道往返时间,所以其重发超时一般设置为6秒左右。

数据被重发之后若还是收不到确认应答,则进行再次发送。此时,等待确认应答的时间将会以2倍、4倍的指数函数延长。

此外,数据也不会被无限、反复地重发。达到一定重发次数之后,如果仍没有任何确认应答返回,就会判断为网络或对端主机发生了异常,强制关闭连接。并且通知应用通信异常强行终止。

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