TCP

发表于 分类于
TCP的整理

参考

( TCP 可以被描述为“一种带累积正向确认的滑动窗口协议” )

头部重要的东西

P418

TCP10 image-20210323130236495
  • 序列号
  • 确认号
  • TCP Flag：包的类型，即 SYN、FIN、ACK那些
    • RST：重置连接
  • 窗口大小 Window Size：也叫 Advertised-Window
  • 校验和
  • 紧急指针：设置 URG 才有效
  • TCP 选项
    • 最常见的就是“最大段大小”( MSS )，MSS 只是 数据部分 的大小，不包含 TCP 首部，默认 536 字节( 最大 1460 )，刚好组成一个 576 字节( 20 + 20 + 536 )的 IPv4 数据报
      • 一般在发送的第一个报文段( 即 SYN 那个 )上指定这个选项
      • 要和 MTU ( 最大传输单元 )区分，只是 MSS 的设置要根据 MTU 来设置。链路层 1500 的 MTU，而去掉 TCP/IP 首部 40，就是 1460 了( 光纤是 1440 )
    • SACK 选择确认选项
    • 窗口缩放：WSCALE/WSOPT
      • 能将上面的 16 位窗口大小增加到 32 位
      • 只在 SYN 报文段中，每个方向都可不一样
    • 时间戳
      • 要求发送方在每个报文段添加 2 个 4 字节的时间戳数值，接收方会在确认中反映这些数值，允许发送方针对每个接收到的 ACK ( TCP 用一个 ACK 确认多个报文段 )
      • 14章
      • 能防回绕

连接控制

三次握手、四次挥手、半关闭、同时打开与关闭

三次握手建立

都可能带选项

  • 发送方
    • SYN + ISN(c) ( ISN：初始序列号 )
  • 接收方
    • SYN + ISN(s) + ACK ( 此 ACK = ISN(c) + 1 )
  • 发送方
    • ACK( 此 ACK = ISN(s) + 1 )

初始序列号 ISN

  • 随时间改变
  • 可视为一个 32 位的计数器，每 4 微秒 + 1，防止重叠
  • 可用于抵御伪造的 TCP
  • 现代系统采用半随机，详见协议 P428

四次挥手终止

close()

  • 主动关闭者
    • FIN + K( 当前序列号 ) + ACK( 用于确认对方最近一次发来的数据 L )
  • 被动关闭者
    • L( 序列号 ) + ACK( K + 1 )
    • 被动->主动，FIN + L( 序列号 ) + ACK( K + 1 )
  • 主动关闭者
    • K( 序列号 ) + ACK( L + 1 )

半关闭

shutdown()

  • 我已经完成数据的发送工作，并发送一个 FIN 给对方，但我仍希望接收来自对方的数据直到对方发送 FIN 给我

过程和四次挥手一样，只是被动关闭者没有发送 FIN 之前，主动关闭者还是能接收数据

同时打开与关闭

同时打开

两方同时发送 SYN

都返回 SYN + ACK

同时关闭

同时发送 FIN + ACK

都返回 ACK

和正常关闭一样，只是是交叉的

重点

ARQ 和 重传

Automatic Repeat-reQuest 自动重传请求 简单地“尝试重新发送”，直到信息最终被接收

  • 确认号( 也可以叫 ACK )
    • 只有 ACK 位字段被启用才有效( 连接建立后一般都是启用的 )
    • TCP 的 ACK 是 累积 的，即是累积确认的，发送方发了几个相同数据包，只会收到一个确认
    • 确认号代表的是这个 ACK 的发送方期待接收的下一个序列号( 即最后被成功接收的序列号 + 1 )
  • 校验和
  • 序列号( 32位 )
    • 标识了发送方到接收方的数据流的一个字节，这个字节就是该报文段( segement )中的数据的第一个字节
  • 但是一个一个发效率太低

序列号和 ACK 是以字节数为单位，所以 ACK 的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了

窗口

分组窗口和滑动窗口

  • 这样的窗口结构发送方和接收方都有
    • 发送方：记录哪些分组可被释放，哪些正在等待 ACK，哪些还不能发送
    • 接收方：记录哪些分组已经被接收和确认，哪些分组是下一步期望的( 和已经分配多少内存来保存它们 )，以及哪些即使被接收也将会因内存限制而被丢弃
  • SACK
    • 因为接收的数据是无序的，窗口会出现空洞
    • 发送方要了解接收方有哪些空洞，就能重传这个分组
    • 要在 SYN 报文段开启“允许选择确认”选项
    • 要 两方都支持
    • SACK 保存在选项中，包含接收方已经成功接收的数据块的序列号范围，每个范围被称作 SACK 块，由一对 32 位序列号( 一共 32 位 )表示，因此，一个 SACK 选项 = n 个 SACK 块 = 8 * n + 2 字节( 多的 2 个字节保存 SACK 选项的种类和长度 )
    • 一般一个报文段最多 3 个 SACK 块（ 已使用时间戳选项 ）

变量窗口

( 用于流量控制和拥塞控制 )

( 窗口大小会变 )

( 一个窗口只会设置一个定时器 )

  • 为了处理接收方相对于发送方太慢的问题
  • 有两种方式
    • 基于速率
      • 给发送方指定某个速率，确保数据不会超过这个速率
        • 适合流应用程序，可被用于广播和组播发现
    • 基于窗口
      • 窗口大小不是固定的，而是允许时间而变动的
      • 逻辑上，窗口更新的告知是与 ACK 分离的，但实际上两个是由 同一个分组 携带的，意味着发送方往往会在它的窗口滑动到右边的 同时 调整它的大小

重传

  • 基于时间( 计时器超时 )
  • 基于确认信息( 更有效 )( 快速重传 )

两者都有用到

重传超时RTO - Timeout

P465

  • 根据平均往返时间 RTT（一个数据包从发出去到回来的时间） 来设置 RTO，RTTs( RTT样本：RTT sample )，推荐的 α 值为 1/8

TCP16

  • 其他算法：Karn / Partridge 算法、Jacobson / Karels 算法等
  • 根据 时间戳 来设置
    • TSOPT
    • 协议P468

快速重传

推测 丢包

不以时间驱动，而以数据驱动重传

  • 累积确认 无法返回新的 ACK
  • 当 ACK 包含的 SACK 表明有 失序报文段

如果发送方连续三次 ( 一般来说是 3 次 ) 收到重复的 ACK，得知哪的没传到 ( 在没 SACK 的情况下，每个 RTT 内只能至多知道一个空缺 )，就会重传对应包，而不需要等到计时器超时，如果有采用 SACK，重复的 ACK 也会包含 SACK 信息

SACK

(上面也有补充)

ACK 还是快速重传的 ACK，SACK 则是汇报收到的数据碎版

image-20210323131318175

  • SACK 包含的是最近接收到的报文段的序列号范围
  • 一个 ACK 包含三四个 SACK 信息
  • 每个 SACK 包含 32 位的序列号，代表接收端存储的失序数据的 起始 到 最后 一个序列号
  • 包含 SACK 块的 ACK 也简单称为“SACK”
SR(选择重传selective repeat)

对支持 SACK 的发送方来说

  • 合理利用 SACK 携带的信息，来重传丢失的报文段，这也叫 SR ( 选择重传 selective repeat )
    • SR 也是 ARQ 的一种实现
    • ( 除了SR，还有一个叫 GBN 回退 N 步 )
    • TCP 有两者的特性，更偏向 SR ( 选择重传 selective repeat )
  • 一般不叫 SR，会与另一个 SR 混淆
D-SACK

使用 SACK 来告诉发送方有哪些数据被重复接收了

D-SACK 使用了 SACK 的第一个段来做标志

  • 如果 SACK 的第一个段的范围被 ACK 所覆盖，那么就是 D-SACK
  • 如果 SACK 的第一个段的范围被 SACK 的第二个段覆盖，那么就是 D-SACK

引入了 D-SACK，有这么几个好处，可以更好的做网络上的流控

  • 可以让发送方知道，是发出去的包丢了，还是回来的 ACK 包丢了

  • 是不是自己的 timeout 太小了，导致重传

  • 网络上出现了先发的包后到的情况（又称 reordering ）

  • 网络上是不是把我的数据包给复制了

伪超时和重传

这种伪重传主要原因是 伪超时，当然也包括失序与重复

  • 出现延迟高峰
  • 超过了计时器
  • 触发重传
  • 触发 GBN
  • 接收到重复 ACK，即失序。还有重复( 协议P486-487 )
  • 触发快速重传

拥塞控制

拥塞控制 主要包括：

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 快重传
  • 快恢复

cwnd：Congestion Window

ssthresh：slow start threshold

假设当前发送方 拥塞窗口 cwnd 为 1 个( 拥塞窗口 cwnd 的值是几，就能发送几个数据报文段，实际上书里就是设置为 1 个 MSS，具体看系统 )

接收方收到报文段后回复一个确认，发送方首次收到确认后将 cwnd 设为 2，接下来，cwnd 4、8、16……以 指数增长，这就是 慢启动

当达到 慢启动阈值 ssthresh 时，TCP 会谨慎增加 cwnd，即进入 拥塞避免 阶段，每次 cwnd 增加 1，然后分两种版本：

  1. 如果发生 超时重传，就 重新进入慢启动，即将 ssthresh 设置为 cwnd 的一半，新的 cwnd 设置为 1( TCP Tahoe版本 )( 已废弃 )
  2. 如果 连续有三个冗余的ACK 时，就是出现 丢包，就将相应的报文段重传( 快速重传 )，开始执行 快恢复，即将 ssthresh 设置为 cwnd 的一半，新的 cwnd 设置为新的 ssthresh ( TCP Reno 版本 )，然后拥塞避免，每次 + 1
  • 新的 cwnd 也可以设置为 ssthresh + 3
  • 也有的 快恢复 实现是将新的 cwnd 设置为 新的 ssthresh + 1

TCP19