浅谈通讯网络（五）——TCP层

需求：

通讯的本质是进行信息的传递，而咱们但愿达到的效果总结起来就两点：快而准。

背景：

基于TCP/IP协议，运行在IP层上的流量将变得不可靠，没法仅仅靠IP层技术保障数据包的准确传达。

TCP协议

由此诞生了TCP协议来保证数据流量尽快准确的到达。

咱们来看下TCP协议采用了什么策略来保障的：

 

 

首先是引入了确认机制，也就是在发送到对方后，对方得告知咱们确实收到了。

采用这种机制有一个前提，若是你发送很长一段数据包，须要拆分为多个数据包进行屡次发送，由此你须要对这些数据包进行标序号，由此告知对方哪一个数据包在前，哪一个数据包在后，再便于TCP/IP协议栈组合以后，再传达给上层应用程序。另外对方也才能告诉你究竟是哪块数据包传送成功了。

好比，A发送了SYN（序列号）为1~25的数据包给B，B会返回一个ACK（=最大序列号+1），这里ACK=26。由此B告诉了A本身确实收到了。

疑问：那B如何告知A没有收到该数据包勒？

采用这种机制，A只有在接收到了ACK以后，才会发送下一个数据包。若是等待一段时间后，还未收到，将再次从新发送该数据包。

缺陷：虽然保证了无误的发送，可是明显这种机制没法达到快速的发送。

           1.每次发送一个数据包，若是有丢失，须要等一个周期，才能知晓丢包，耗时过久；

           2.ACK实际上是额外的网络开销，反复的发送加重了网络负担。

发送优化：

a:

选择一次性发送多个数据包。

问题：一次性到底可以发送多少数据包呢？会不会发送太多形成对方没法接收？

最大发送速率（当前窗口大小）取拥塞窗口和通告window窗口的最小值。

b：

由此引入通告window窗口机制，对方反馈本身可以一次性接收多大的数据包大小。（接收端流量控制窗口）

c:

发送方如何告诉对方本身已经将数据包发送完毕了，并清空本地发送缓存，采用将TCP的PUSH字段置一。（涉及伯克利算法）

d：

针对window大小的计算，须要知道发送多少个包，固然发送方得提早知道每一个数据包可以发送多大呢？可以发送的最大值是多少？

针对不一样的二层网络，会有不一样的数据包大小。好比以太网是1500字节，所谓的MTU。由此除去IP和TCP头部，就是1460字节。

因此TCP协议定义了一个标识位叫MSS，以太网就是1460。也就是以太网接口可以发送的最大数据包大小为1460字节。

在TCP建联的时候，不只仅会协商window的大小，同时也会协商MSS的大小。发送方和接收方分别告知对方本身的MSS大小，最后以最小者为准，来指导发送方发送数据。

缺陷：只是根据双方的MTU来计算的MSS，并没有法知晓路径中网络设备的MTU大小，若是中间设备的MTU设备相对小些，将可能形成丢包。除非该数据包DF位为0，而且较小MTU的接口是三层口子，作的是三层转发。

 

既然咱们谈到了中间网路设备，发送的时候，不只仅须要考虑收方的状况，还要预测二者之间的网络状况。到底带宽是多少，信号是否稳定，咱们并没有法直接获知，但能够采用必定的算法来优化。

e:慢启动算法

意思是慢慢提升发送数据包的速度，即发送单位时间内发送数据包的个数逐渐增长，指数级增加。

f:拥塞窗口（发送方流量控制）

 前提：

  1. 最大发送速率（当前窗口大小）取拥塞窗口和通告window窗口的最小值。

  2.通常分组丢失，表示有拥塞。通常分组丢失有两种方式：

       I.发送超时（意思是发送了，可是超过一段时间未收到ACK）；

       II.收到重复ACK（详情见后面解释）

处理过程：

 拥塞窗口初始值是1个报文段，每收到一个ACK就增长一个报文段大小。

 因为最大发送速率前期主要受限于拥塞窗口。所以很容易获得拥塞窗口是以2为底的指数级增加。

 但这个最大发送速率的增加，在慢启动算法里面，有一个阈值，叫慢启动门限ssthresh,默认值是65535字节。

 当发送拥塞的时候，ssthresh会取值为当前窗口的一半（前面已经说了，该值取拥塞窗口和window窗口的最小值），并考虑是否将拥塞窗口置1（具体请看如下快速恢复算法）

 当未有拥塞，速率大小（当前最大速率大小或者叫当前窗口）超过ssthresh时候，进入拥塞避免阶段，拥塞窗口将从指数级增加，变为RRT时间内递增长1的线性增加。由此速率也会进入线性增加的过程，直到等于通告窗口。

g:快速恢复算法

  当收到重复ACK后，拥塞窗口并不置1，进入慢启动。而是直接进入拥塞避免。这就是快速恢复算法。

 可是若是是超时的拥塞，拥塞窗口将置1，从新进入慢启动。

接收端优化：

a：

ACK附带数据包发送。

接收数据方,也每每须要发送数据包，在发送数据包的时候，将ACK附带一块儿发送出去。

b.

经受延迟的ACK。

接收方在接收到数据后，并不当即发送ACK给发送方。己方有数据发送除外。通常采用的是等待200ms再发送最后一个ACK。

 好处：

能够减小ACK的数据包量；

可是重复ACK将不会被延迟，而是会当即发送。

c.

 重复ACK（快速重传算法）

当接收方发如今当前收到数据包里序列号前的数据包，并无收到。则会将上次发送的ACK反馈给对方。由此告知对方两个信息：

1.上次成功收到序列号后的数据我没有正确收到；2.你须要从新给我发送后续的数据包给我（通常就发送该ACK后的一个数据包，也就是丢失的数据包，不从新发送其余后续的数据包）。

     按照伯里克实现，其实发送方在收到三个重复ACK才会从新发送数据。缘由是担忧只是因为乱序形成的。而不是真实的丢包。

 

其余

 

naglle算法，

一个TCP链接上最多只能有一个未被确认的未完成的小数据包，在该数据包被确认前，不容许再次发送其余小分组。

本算法理论上能够提升互联网效率，可是却减慢了本地的发送速率。特别是在电脑上的人机交互设备上是必须关闭的。

 

疑问：

同一个链接，若是接收方未及时将数据包上传给上层应用程序，好比因为性能瓶颈，上层应用程序还将来得及获取数据包，而发送方又发来了数据。应该如何处理呢？ 

解答：

1.接收方正常反馈ACK的时候，带上当前window=最大window-当前已占用缓存大小（通常为0，但也可能出现错误包等，形成的非0状况）；

2.发送方收到后，将调整发送数据为更新后的window

（若是为0，则不会发送，直到收到接收方发过来新的window窗口大小）

 

 

三次握手，四次断链（略)

 

 RRT关于时间戳(通常用于担忧SYN反转)等（略）

 

RST主动快速断链或者拒绝建链

 

URG（略）

 

TCP的四个定时器

重传定时器、坚持定时器、保活定时器、2MSL定时器

 

华为、思科等公司优化算法（再续）

 

引读：https://user.qzone.qq.com/656272330/blog/1438714718