【计算机网络笔记】传输层——TCP的可靠数据传输

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构

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TCP的可靠数据传输

前面学习了可靠数据传输的原理，而TCP是要提供可靠数据传输服务的，那我们下面来看下TCP运用了哪些前面学过的原理、TCP的可靠数据传输是怎样实现的。

概括地来看：

• TCP 在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务
• 使用流水线机制，以便提高性能
• 使用累积确认
• 使用单一重传定时器
• 触发重传的事件有：超时、收到重复ACK

我们在这里暂时不考虑重复ACK、拥塞控制、流量控制对可靠数据传输带来的影响。所以并不完整。

RTT和超时

要想处理丢失，就要设置定时器的超时时间，那这个时间多少是合理的？

我们有个重要的参考指标可以利用，那就是RTT，首先是要大于RTT。但是RTT是变化的，若超时时间过短可能造成不必要的重传， 若过长则可能对段丢失时间反应慢。

那首先要计算/估计RTT：使用SampleRTT测量对段丢失时间反应慢从段发出去 到收到ACK的时间。在这个过程中要忽略重传。为了更准确，我们测量多个SampleRTT，求平均值 ，形成RTT的估计值EstimatedRTT。使用一种指数加权移动平均的方法。阿尔法的典型值是0.125。

定时器超时时间的设置：EstimatedRTT + “安全边界“。若EstimatedRTT变化大，那就要加一个较大的边界。那我们继续测量RTT的变化值:，计算SampleRTT 与EstimatedRTT的差值，然后得到DevRTT。

然后就可以设置定时器超时时间：

TCP发送方要处理的事件

• 从应用层收到数据

  • 创建Segment，序列号是Segment第一个字节 的编号
  • 开启计时器，设置超时时间TimeOutInterval

• 如果超时

  • 重传引起超时的那一个Segment（这一点和SR一样）
  • 重启定时器

• 收到ACK

  • 如果确认此前未确认的Segment，就滑动窗口，更新SendBase。如果窗口中还有未被确认的分组，重新启动定时器

上面的过程写成伪代码如下：

TCP接收方如何生成ACK

快速重传机制

TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔将重新设置，也就是将超时时间间隔加倍，导致其很大。

可以通过重复ACK检测分组丢失。如果发送方收到对同一数据的 3 个ACK，则假定该数据之后 的段已经丢失，那就要执行快速重传机制，即在定时器超时之前就重传。

TCP流量控制机制

接收方会为TCP连接分配buffer。如果发送方传输的数据过快或过多的话，可能导致buffer溢出，这时可能会淹没接收方。所以流量控制的基本思想是发送方不会传输的太多 、太快以至于淹没接收方（buffer溢出）。

所以本质上流量控制机制就是速度匹配机制。

大概实现是这样的：

• 接收方在段的头部字段将RcvWindow告诉接收方，告诉接收方自己还能接收多少字节的数据。发送方就会限制自己已经发 送的但还未收到ACK 的 数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸。

那如果Receiver告知Sender RcvWindow=0，那么发送方就不再发了，那如果接收方又可以接收数据的话，发送方也还是不知道可以发送数据，这就可能导致死锁。所以要增加一个额外的处理，即使是RcvWindow=0的情况下，发送方仍然可以发送一个很小的段，从而从接收方带回来一个新的RcvWindow信息，避免发生死锁。