tcp滑动窗口机制(TCP采用滑动窗口机制实现流量控制)

计算机网络七层模型中，传输层有两个重要的协议：（1）用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol)（2）传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。远地主机的运输层在收到UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下UDP 却是一种最有效的工作方式。TCP 则提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。TCP 不提供广播或多播服务。由于TCP 要提供可靠的、面向连接的运输服务，因此不可避免地增加了许多的开销，如确认、流量控制、计时器以及连接管理等。UDP 的主要特点是：首部手段很简单，只有8 个字节，由四个字段组成，每个字段的长度都是两个字节。前面已经讲过，每条TCP 连接有两个端点，TCP 连接的端点叫做套接字（socket）或插口。套接字格式如下：套接宁socket= (IP 地址：端口号’）每一条TCP 连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接宇）所确定。即：TCP 连接＝ {socket1, socket2} = {(IP1: port1), (IP2: port2)}3次握手链接4次握手释放链接断开连接请求可以由客户端发出，也可以由服务器端发出，在这里我们称A端向B端请求断开连接。各个状态节点解释如下：下面为了讨论问题的万便，我们仅考虑A发送数据而B 接收数据并发送确认。因此A 叫做发送方，而B 叫做接收方。“停止等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。使用上述的确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。像上述的这种可靠传输协议常称为自动重传请求ARQ (Automatic Repeat reQuest）。意思是重传的请求是自动进行的。接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。滑动窗口协议比较复杂，是TCP 协议的精髓所在。这里先给出连续ARQ 协议最基本的概念，但不涉提到许多细节问题。详细的滑动窗口协议将在后面讨论。下图表示发送方维持的发送窗口，它的意义是：位于发送窗口内的5 个分组都可连续发送出去，而不需要等待对方的确认。这样，信道利用率就提高了。连续ARQ 协议规定，发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。接收方一般都是采用累积确认的方式。这就是说，接收方不必对收到的分组逐个发送确认，而是可以在收到几个分组后，对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都己正确收到了。累积确认的优点是容易实现，即使确认丢失也不必重传。但缺点是不能向发送方反映出接收方己经正确收到的所有分组的信息。例如，如果发送方发送了前5 个分组，而中间的第3 个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。这就叫做Go-back-N （回退N ），表示需要再退回来重传己发送过的N 个分组。可见当通信线路质量不好时，连续ARQ 协议会带来负面的影响。TCP 的滑动窗口是以字节为单位的。现假定A 收到了B 发来的确认报文段，其中窗口是20 （字节），而确认号是31 （这表明B 期望收到的下一个序号是31 ，而序号30 为止的数据己经收到了）。根据这两个数据， A 就构造出自己的发送窗口，其位置如图所示。发送窗口表示：在没有收到B 的确认的情况下， A可以连续把窗口内的数据都发送出去。凡是己经发送过的数据，在未收到确认之前都必须暂时保留，以便在超时重传时使用。发送窗口后沿的后面部分表示己发送且己收到了确认。这些数据显然不需要再保留了。而发送窗口前沿的前面部分表示不允许发送的，因为接收方都没有为这部分数据保留临时存放的缓存空间。现在假定A 发送了序号为31 ～ 41 的数据。这时发送窗口位置并未改变，但发送窗口内靠后面有11个字节（灰色小方框表示）表示己发送但未收到确认。而发送窗口内靠前面的9 个字节（ 42 ～ 50 ）是允许发送但尚未发送的。】再看一下B 的接收窗口。B 的接收窗口大小是20，在接收窗口外面，到30 号为止的数据是已经发送过确认，并且己经交付给主机了。因此在B 可以不再保留这些数据。接收窗口内的序号（31～50）足允许接收的。B 收到了序号为32 和33 的数据，这些数据没有按序到达，因为序号为31 的数据没有收到（也许丢失了，也许滞留在网络中的某处）。请注意， B 只能对按序收到的数据中的最高序号给出确认，因此B 发送的确认报文段中的确认号仍然是31 （即期望收到的序号）。现在假定B 收到了序号为31 的数据，并把序号为31～33的数据交付给主机，然后B删除这些数据。接着把接收窗口向前移动3个序号，同时给A 发送确认，其中窗口值仍为20，但确认号是34，这表明B 已经收到了到序号33 为止的数据。我们注意到，B还收到了序号为37, 38 和40 的数据，但这些都没有按序到达，只能先存在接收窗口。A收到B的确认后，就可以把发送窗口向前滑动3个序号，指针P2 不动。可以看出，现在A 的可用窗口增大了，可发送的序号范围是42～53。整个过程如下图：A 在继续发送完序号42-53的数据后，指针P2向前移动和P3重合。发送窗口内的序号都已用完，但还没有再收到确认。由于A 的发送窗口己满，可用窗口己减小到0，因此必须停止发送。上面已经讲到， TCP 的发送方在规定的时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段。这种重传的概念是很简单的，但重传时间的选择却是TCP 最复杂的问题之一。TCP采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时间RTT，TCP 保留了RTT的一个加权平均往返时间RTTs （这又称为平滑的往返时间， S 表示Smoothed 。因为进行的是加权平均，因此得出的结果更加平滑）。每当第一次测量到RTT样本时， RTTs值就取为所测量到的RTT样本值。但以后每测量到一个新的RTT样本，就按下式重新计算一次RTTs:新的RTTs = (1 － α）×（旧的RTTs) ＋ α ×（新的RTT样本）α 越大表示新的RTTs受新的RTT样本的影响越大。推荐的α 值为0.125，用这种方法得出的加权平均往返时间RTTs 就比测量出的RTT值更加平滑。显然，超时计时器设置的超时重传时间RTO (RetransmissionTime-Out）应略大于上面得出的加权平均往返时间RTTs。RFC 2988 建议使用下式计算RTO:RTO = RTTs + 4 × RTTdRTTd是RTT 的偏差的加权平均值，它与RTTs和新的RTT样本之差有关。计算公式如下：新的RTTd= (1- β）×（旧的RTTd) + β × |RTTs－新的RTT样本|发现问题：如图所示，发送出一个报文段。设定的重传时间到了，还没有收到确认。于是重传报文段。经过了一段时间后，收到了确认报文段。现在的问题是：如何判定此确认报文段是对先发送的报文段的确认，还是对后来重传的报文段的确认？若收到的确认是对重传报文段的确认，但却被源主机当成是对原来的报文段的确认，则这样计算出的RTTs 和超时重传时间RTO 就会偏大。若后面再发送的报文段又是经过重传后才收到确认报文段，则按此方法得出的超时重传时间RTO 就越来越长。若收到的确认是对原来的报文段的确认，但被当成是对重传报文段的确认，则由此计算出的RTTs 和RTO 都会偏小。这就必然导致报文段过多地重传。这样就有可能使RTO 越来越短。Kam 提出了一个算法：在计算加权平均RTTs 时，只要报文段重传了就不采用其往返时间样本。这样得出的加权平均RTTs 和RTO 就较准确。新问题：设想出现这样的情况：报文段的时延突然增大了很多。因此在原来得出的重传时间内，不会收到确认报文段。于是就重传报文段。但根据Kam 算法，不考虑重传的报文段的往返时间样本。这样，超时重传时间就无法更新。解决方案：对Kam 算法进行修正，方法是z报文段每重传一次，就把超时重传时间RTO 增大一些。典型的做法是取新的重传时间为2 倍的旧的重传时间。当不再发生报文段的重传时，才根据上面给出的公式计算超时重传时间。流量控制（flow control）就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP 连接上实现对发送方的流量控制。接收方的主机B 进行了三次流量控制。第一次把窗口减小到rwnd =300，第二次又减到rwnd = 100 ，最后减到rwnd = 0 ，即不允许发送方再发送数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B 重新发出一个新的窗口值为止。我们还应注意到，B 向A 发送的三个报文段都设置了ACK=1，只有在ACK=1 时确认号字段才有意义。发生死锁：现在我们考虑一种情况。上图中， B 向A 发送了零窗口的报文段后不久， B 的接收缓存又有了一些存储空间。于是B 向A 发送了rwnd = 400 的报文段。然而这个报文段在传送过程中丢失了。A 一直等待收到B 发送的非零窗口的通知，而B 也一直等待A 发送的数据。如果没有其他措施，这种互相等待的死锁局面将一直延续下去。解决方案：TCP 为每一个连接设有一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP 连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带1 宇节的数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。1 TCP连接时是三次握手，那么两次握手可行吗？在《计算机网络》中是这样解释的：已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送ACK包。这样就会白白浪费资源。而经过三次握手，客户端和服务器都有应有答，这样可以确保TCP正确连接。2 为什么TCP连接是三次，挥手确是四次？在TCP连接中，服务器端的SYN和ACK向客户端发送是一次性发送的，而在断开连接的过程中，B端向A端发送的ACK和FIN是是分两次发送的。因为在B端接收到A端的FIN后，B端可能还有数据要传输，所以先发送ACK，等B端处理完自己的事情后就可以发送FIN断开连接了。3 为什么在第四次挥手后会有2个MSL的延时？MSL是Maximum Segment Lifetime，最大报文段生存时间，2个MSL是报文段发送和接收的最长时间。假定网络不可靠，那么第四次发送的ACK可能丢失，即B端无法收到这个ACK，如果B端收不到这个确认ACK，B端会定时向A端重复发送FIN，直到B端收到A的确认ACK。所以这个2MSL就是用来处理这个可能丢失的ACK的。1 文件传送协议文件传送协议FTP (File Transfer Protocol) [RFC 959］是因特网上使用得最广泛的文件传送协议，底层采用TCP协议。盯P 使用客户服务器方式。一个FTP 服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。FTP的服务器进程由两大部分组成：一个主进程，负责接受新的请求：另外有若干个从属进程，负责处理单个请求。在进行文件传输时，客户和服务器之间要建立两个并行的TCP 连接：“控制连接”（21端口）和“数据连接”（22端口）。控制连接在整个会话期间一直保持打开， FTP 客户所发出的传送请求，通过控制连接发送给服务器端的控制进程，但控制连接并不用来传送文件。实际用于传输文件的是“数据连接”。服务器端的控制进程在接收到FTP 客户发送来的文件传输请求后就创建“数据传送进程”和“数据连接”，用来连接客户端和服务器端的数据传送进程。2 简单文件传送协议TFTPTCP/IP 协议族中还有一个简单文件传送协议TFfP (Trivial File Transfer Protocol），它是一个很小且易于实现的文件传送协议，端口号69。TFfP 也使用客户服务器方式，但它使用UDP 数据报，因此TFfP 需要有自己的差错改正措施。TFfP 只支持文件传输而不支持交耳。3 TELNETTELNET 是一个简单的远程终端协议，底层采用TCP协议。TELNET 也使用客户服务器方式。在本地系统运行TELNET 客户进程，而在远地主机则运行TELNET 服务器进程，占用端口23。4 邮件传输协议一个电子邮件系统应具如图所示的三个主要组成构件，这就是用户代理、邮件服务器，以及邮件发送协议（如SMTP ）和邮件读取协议（如POP3)， POP3 是邮局协议（Post Office Protocol）的版本3 。SMTP 和POP3 （或IMAP ）都是在TCP 连接的上面传送邮件，使用TCP 的目的是为了使邮件的传送成为可靠的。

导语：TCP拥塞控制不仅仅是网络层的概念，可以将其归属于控制论的范畴。在TCP的演进过程中，出现了很多优秀的思想和算法，以实现网络传输过程中，在公平竞争性的前提下，尽可能地利用带宽资源。本文介绍TCP发展过程中出现的几种拥塞控制算法，并着重介绍BBR的原理。TCP拥塞控制不仅仅是网络层的概念，可以将其归属于控制论的范畴。在TCP的演进过程中，出现了很多优秀的思想和算法，以实现网络传输过程中，在公平竞争性的前提下，尽可能地利用带宽资源。公平性是在发生拥塞时各源端（或同一源端建立的不同TCP连接或UDP数据报）能公平地共享同一网络资源（如带宽、缓存等）。处于相同级别的源端应该得到相同数量的网络资源。产生公平性的根本原因在于拥塞发生必然导致数据包丢失，而数据包丢失会导致各数据流之间为争抢有限的网络资源发生竞争，争抢能力弱的数据流将受到更多损害。因此，没有拥塞，也就没有公平性问题。TCP层上的公平性问题表现在两方面：（1）面向连接的TCP和无连接的UDP在拥塞发生时对拥塞指示的不同反应和处理，导致对网络资源的不公平使用问题。在拥塞发生时，有拥塞控制机制的TCP会按拥塞控制步骤进入拥塞避免阶段，从而主动减小发送到网络的数据量。但对无连接的数据报UDP，由于没有端到端的拥塞控制机制，即使网络出现了拥塞，也不会减少向网络发送的数据量。结果遵守拥塞控制的TCP数据流得到的网络资源越来越少，没有拥塞控制的UDP则会得到越来越多的网络资源。（2）TCP连接之间也存在公平性问题。产生问题的原因在于使用了不同的拥塞控制算法，一些TCP在拥塞前使用了大窗口尺寸，或者它们的RTT较小，或者数据包比其他TCP大，这样它们也会多占带宽。拥塞控制主要包括四个过程：1）慢启动；2）拥塞避免；3）拥塞发生；4）快速恢复。RTT：数据包从发出去到收到对它的ack的来回时间，采用平滑方式计算RTTRTO：重传超时。简单的如RTO=n*RTT, n=3（或其他RTO计算方法）SACK：TCP Option携带多组ACK信息FR：Fast Retransmission，收到3个dup ack后，即可认为发生了丢包。不需要等待RTO超时即可重传丢失的包。ER：Early Retransmission，无法产生足够的dupack和没有新的数据包可以发送进入网络的情况下，减少触发FR的dup ack数量，以达到触发FR的目的。TLP：如果发生了尾丢包，由于尾包后面没有更多的数据包，也就没有办法触发任何的dupack。实际上，Google统计超过70%的RTO是尾丢包导致没有任何dupack。TLP算法是通过发送一个loss probe包，来产生足够的SACK/FACK的信息以触发RF。Pacing：控制发送速率，防止bursting流控：Flow control站在单条TCP连接的维度，目的是让发送方发包的速度，不超过接收方收包的能力。所以流控解决的问题是，如何在接收方可承受的范围内，让单条 TCP 连接的速度最大化。通过滑动窗口机制实现。拥塞控制：Congestion control站在整个互联网的维度，让网络里所有TCP连接最大化共享网络通道的同时，尽可能的少出现网络拥塞现象，让网络世界里的每一个参与者既公平又高效。cwnd：发送窗口，拥塞窗口；在拥塞控制过程中窗口大小值变化。rwnd：接收窗口，通知发送者能够发送的数据大小。sliding window：滑动窗口，只是一种抽象机制概念；在发送请求及收到ack的过程中滑动。历史上出现的各种TCP拥塞控制算法，其本质是针对拥塞控制的四个过程做策略调整。按照算法依据的因素，可以简单的分为以下类型：因为Reno等算法是后续算法的基础，这里详细的描述下Reno算法的过程。（1）慢热启动算法 – Slow Start（2）拥塞避免算法 – Congestion Avoidance当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。算法如下：（3）拥塞状态算法 – Fast RetransmitTahoe是等RTO超时，FR是在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时。拥塞发生时：（4）快速恢复 – Fast RecoveryReno算法以其简单、有效和鲁棒性，应用最广泛。该算法所包含的慢启动、拥塞避免和快速重传、快速恢复机制，是现有的众多算法的基础。从Reno运行机制中很容易看出，为了维持一个动态平衡，必须周期性地产生一定量的丢失，再加上AIMD机制--减少快，增长慢，尤其是在大窗口环境下，由于一个数据报的丢失所带来的窗口缩小要花费很长的时间来恢复，这样，带宽利用率不可能很高且随着网络的链路带宽不断提升，这种弊端将越来越明显。另外，丢包并不一定是网络拥塞，可能是网络常态，但是基于丢包的拥塞控制并不能区分。vegas通过对RTT的非常重的监控来计算一个基准RTT。然后通过这个基准RTT来估计当前的网络实际带宽，如果实际带宽比我们的期望的带宽要小或是要多的活，那么就开始线性地减少或增加cwnd的大小。中间路由器缓存数据导致RTT变大，认为发生拥塞；RTT不公平性，当不同的数据流对网络瓶颈带宽进行竞争时，具有较小RTT的TCP数据流的拥塞窗口增加速率将会快于具有大RTT的TCP数据流，从而将会占有更多的网络带宽资源。在发送端做带宽估计，当探测到丢包时，根据带宽值来设置拥塞窗口、慢启动阈值。 那么，这个算法是怎么测量带宽的？每个RTT时间，会测量一次带宽，测量带宽的公式很简单，就是这段RTT内成功被ACK了多少字节。Westwood会根据RTT变化来判断丢包是否是网络拥塞造成的，还是网络常态的丢包。如果时延变化不明显，就认为是非网络拥塞，此时cwnd减少的比较小。BIC-TCP是Linux 2.6.18默认拥塞控制算法，依赖丢包条件触发。BIC-TCP认为TCP拥塞窗口调整的本质就是找到最适合当前网络的一个发送窗口，为了找到这个窗口值，TCP采取的方式是(拥塞避免阶段)每RTT加1，缓慢上升，丢包时下降一半，接着再来慢慢上升。BIC-TCP的提出者们看穿了事情的本质，其实这就是一个搜索的过程，而TCP的搜索方式类似于逐个遍历搜索方法，可以认为这个值是在1和一个比较大的数(large_window)之间，既然在这个区间内需要搜索一个最佳值，那么显然最好的方式就是二分搜索思想。BIC-TCP就是基于这样一个二分思想的：当出现丢包的时候，说明最佳窗口值应该比这个值小，那么BIC就把此时的cwnd设置为max_win，把乘法减小后的值设置为min_win，然后BIC就开始在这两者之间执行二分思想--每次跳到max_win和min_win的中点。BIC也具备RTT的不公平性。RTT小的连接，窗口调整发生的速度越快，因此可能更快的抢占带宽。CUBIC在设计上简化了BIC-TCP的窗口调整算法，在BIC-TCP的窗口调整中会出现一个凹和凸(这里的凹和凸指的是数学意义上的凹和凸，凹函数/凸函数)的增长曲线，CUBIC使用了一个三次函数(即一个立方函数)，在三次函数曲线中同样存在一个凹和凸的部分，该曲线形状和BIC-TCP的曲线图十分相似，于是该部分取代BIC-TCP的增长曲线。另外，CUBIC中最关键的点在于它的窗口增长函数仅仅取决于连续的两次拥塞事件的时间间隔值，从而窗口增长完全独立于网络的时延RTT，使得连接之间保持良好的RRTT公平性。来看下具体细节：当某次拥塞事件发生时，Wmax设置为此时发生拥塞时的窗口值，然后把窗口进行乘法减小，乘法减小因子设为β，当从快速恢复阶段退出然后进入到拥塞避免阶段，此时CUBIC的窗口增长开始按照“凹”式增长曲线进行增长，该过程一直持续直到窗口再次增长到Wmax，紧接着，该函数转入“凸”式增长阶段。该方式的增长可以使得窗口一直维持在Wmax附近，从而可以达到网络带宽的高利用率和协议本身的稳定性。CUBIC窗口的增长函数：W(t) = C * (t-K)3 + Wmax, 其中C和β为常量。t为当前时间距上一次窗口减小的时间差，而K就代表该函数从W增长到Wmax的时间周期。通俗一点讲，假如我们知道了Wmax，那么CUBIC的核心思想就是需要在连续两次拥塞期间执行完上面的三次函数增长曲线BBR通过实时计算带宽和最小RTT来决定发送速率pacing rate和窗口大小cwnd。完全摒弃丢包作为拥塞控制的直接反馈因素。传统的拥塞控制算法是计算cwnd值来规定当前可以发送多少数据，但是并不关注以什么样的速度发送数据。如果简单而粗暴地将窗口大小（send.cwnd、recv.cwnd的最小值）数据全部突发出去，这往往会造成路由器的排队，在深队列的情况下，会测量出rtt剧烈地抖动。bbr在计算cwnd的同时，还计算了一个与之适配的pacing rate，该pacing rate规定cwnd指示的一窗数据的数据包之间，以多大的时间间隔发送出去。我们知道，网络工作的最优点是在物理链路延迟状态下，以最大速率传输数据。传统的拥塞控制算法思想是根据数据传输及ACK来确定RTT，但是这个RTT并不是物理链路延时，可能包含了路由器缓存耗时，也可能是拥塞状态下的耗时。传统的带宽计算也是在不断的试探逼近最优发送窗口，并在RTT或者统计周期内计算带宽。这种情况下，RTT并不是真正的物理链路延迟，带宽也有可能是在有路由缓存或丢包状况下计算得到，那么必然得到的不是精准的值。BBR摒弃了丢包和实时RTT作为拥塞控制因素。引入BDP管道容量来衡量链路传输水平。BBR追求的是在链路最小RTT（物理链路延迟）的状态下，找到最大带宽。首先我们认为网络最优点是可以达到的。下面描述RTT及收包速率与数据包投递速率的关系。图中上半部分的过程可以描述为：随着数据包投递速率增加，如果没有超过最优带宽，则RTT不会变化，此时的RTT是物理链路延迟。随着投递速率继续增加，这时中间路由节点可能出现需要缓存数据包的情况，这会导致RTT变大。如果投递速率继续增加，超过路由缓存能力，则可能出现丢包。图中下半部分的过程可以描述为：随着数据包投递速率增加，如果没有超过最优带宽，则发送方确认接收端收到的数据速率增加。随着投递速率继续增加，因为数据包缓存在中间路由，这些包并不能及时得到ACK，因此发送方得到的ACK速率，即发送发确认接收方收到数据的速率会维持不变。如果投递速率继续增加，超过路由缓存能力，则可能出现丢包。1）应答了多少数据，记为delivered；2）应答1）中的delivered这么多数据所用的时间，记为interval_us。将上述二者相除，就能得到带宽：bw = delivered/interval_us；该计算方法不关注数据包ack及顺序，是纯粹的标量。我们可以根据图示很容易算出从Delivered为7时的数据包被确认到X被确认为止，一共有12-7=5个数据包被确认，即这段时间网络上清空了5个数据包。我们便很容易算出带宽值了。当10s内没有发现最小RTTProp时，就要进入ProbeRTT状态。在ProbeRTT状态，仅发4MSS/RTT(接近停止发送)，从而排空链路上的数据包，测量真实的RTTProp。这里带来的一个问题是，在一个RTT时间内以4MSS速率发送可能会造成抖动，特别是长RTT场景。具体的参考willko文章《GBN手札-BBR实时大数据传输之痛》。

TCP的窗口以字节为单位进行调整，以适应接收方的处理能力。处理过程如下： （1）TCP连接阶段，双方协商窗口尺寸，同时接收方预留数据缓存区；（2）发送方根据协商的结果，发送符合窗口尺寸的数据字节流，并等待对方的确认；（3）发送方根据确认信息，改变窗口的尺寸，增加或者减少发送未得到确认的字节流中的字节数。调整过程包括：如果出现发送拥塞，发送窗口缩小为原来的一半，同时将超时重传的时间间隔扩大一倍。 TCP的窗口机制和确认保证了数据传输的可靠性和流量控制。
00000000000000000 data ll windowpart 211110000000000000000000000000000000 datall windowpart 311110000000000000000000000000000000 datallwindowpart 411111001100000000000000000000000000 datallwindowpart 511111101100000000000000000000000000 data11window....and so on do you understand ?
T C P使用一种窗口（w i n d o w）机制来控制数据流。当一个连接建立时，连接的每一端分配一个缓冲区来保存输入的数据，并将缓冲区的尺寸发送给另一端。当数据到达时，接收方发送确认，其中包含了自己剩余的缓冲区尺寸。剩余的缓冲区空间的大小被称为窗口（ w i n d o w） ，指出窗口大小的通知称为窗口通告（window advertisement） 。接收方在发送的每一确认中都含有一个窗口通告。 如果接收方应用程序读数据的速度能够与数据到达的速度一样快，接收方将在每一确认中发送一个正的窗口通告。然而，如果发送方操作的速度快于接收方（由于C P U更快） ，接收到的数据最终将充满接收方的缓冲区，导致接收方通告一个零窗口（ zero window） 。发送方收到一个零窗口通告时，必须停止发送，直到接收方重新通告一个正的窗口。TCP的窗口以字节为单位进行调整，以适应接收方的处理能力。处理过程如下：（1）TCP连接阶段，双方协商窗口尺寸，同时接收方预留数据缓存区；（2）发送方根据协商的结果，发送符合窗口尺寸的数据字节流，并等待对方的确认；（3）发送方根据确认信息，改变窗口的尺寸，增加或者减少发送未得到确认的字节流中的字节数。调整过程包括：如果出现发送拥塞，发送窗口缩小为原来的一半，同时将超时重传的时间间隔扩大一倍。 TCP的窗口机制和确认保证了数据传输的可靠性和流量控制。

所谓流量控制就是让发送发送速率不要过快，让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制就可以实施流量控制。原理这就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制，发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。考虑一种特殊的情况，就是接收方若没有缓存足够使用，就会发送零窗口大小的报文，此时发送放将发送窗口设置为0，停止发送数据。之后接收方有足够的缓存，发送了非零窗口大小的报文，但是这个报文在中途丢失的，那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。解决这个问题，TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小（注意：TCP规定，即使设置为零窗口，也必须接收以下几种报文段：零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段）。TCP原理应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。解释1、比如发送端能发送5个数据，接收端也能收到5个数据，给个确认（ack）给发送端，确认我收到5个数据。如果网络通信出现繁忙或者拥塞的时候，接收端只能收3个数据，接受端给个确认我只能收3个数据，那么发送端就自动调整发送的窗口为3，当线路又恢复通畅的时候，接受端又可以受到5个数据，那它会给确认给发送端，告诉它我的窗口为5，那发送端就把窗口又调整会5，这样进行流量控制的2、比如说发送端窗口为3，发送到接收端，接收端的接收窗口为5的话，接受数据，并且会给发送端一个ack（确认）告诉发送端我的窗口为5，发送端收到确认后会把自己的发送端窗口调整为5~~这样就可以加速数据传输了拓展资料TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。参考资料：TCP—百度百科
tcp是利用滑动窗口机制就可以实施流量控制。原理这就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制，发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。拓展资料：TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段。百度百科_TCP
TCP概念TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内[1] 另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。TCP原理应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（[1] MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体[1] 的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。流量控制所谓流量控制就是让发送发送速率不要过快，让接收方来得及接收。利用滑动窗口机制就可以实施流量控制。原理这就是运用TCP报文段中的窗口大小字段来控制，发送方的发送窗口不可以大于接收方发回的窗口大小。考虑一种特殊的情况，就是接收方若没有缓存足够使用，就会发送零窗口大小的报文，此时发送放将发送窗口设置为0，停止发送数据。之后接收方有足够的缓存，发送了非零窗口大小的报文，但是这个报文在中途丢失的，那么发送方的发送窗口就一直为零导致死锁。解决这个问题，TCP为每一个连接设置一个持续计时器（persistence timer）。只要TCP的一方收到对方的零窗口通知，就启动该计时器，周期性的发送一个零窗口探测报文段。对方就在确认这个报文的时候给出现在的窗口大小（注意：TCP规定，即使设置为零窗口，也必须接收以下几种报文段：零窗口探测报文段、确认报文段和携带紧急数据的报文段）。解释1、比如发送端能发送5个数据，接收端也能收到5个数据，给个确认（ack）给发送端，确认我收到5个数据。如果网络通信出现繁忙或者拥塞的时候，接收端只能收3个数据，接受端给个确认我只能收3个数据，那么发送端就自动调整发送的窗口为3，当线路又恢复通畅的时候，接受端又可以受到5个数据，那它会给确认给发送端，告诉它我的窗口为5，那发送端就把窗口又调整会5，这样进行流量控制的2、比如说发送端窗口为3，发送到接收端，接收端的接收窗口为5的话，接受数据，并且会给发送端一个ack（确认）告诉发送端我的窗口为5，发送端收到确认后会把自己的发送端窗口调整为5~~这样就可以加速数据传输了
滑动窗口机制，可以去百科看一下 ： http://baike.baidu.com/view/2433906.htm?fr=ala0_1

title: TCP 总结date: 2018-03-25 09:40:24tags:categories:-计算机网络我们都知道 TCP 是位于传输层的协议，他还有一个兄弟就是 UDP ，他们两共同构成了传输层。显然他们之间有很大的区别要不然的话在传输层只需要一个就好了。其中最重要的区别就是一个面向连接另外一个不是，这个区别就导致了他们是否能够保证稳定传输，显然不面向连接的 UDP 是没办法保证可靠传输的，他只能靠底层的网络层和链路层来保证。我们都知道网络层采用的是不可靠的 IP 协议。好吧，网络层也保证不了可靠传输，所以 UDP 保证可靠传输只能依靠链路层了。而 TCP 就好说了他不仅仅有底层的链路层的支持，还有自己的面向链接服务来保证可靠传输。当然 TCP也不仅仅就是比 UDP 多了一个可靠传输，前面也说到了这只是他们之间一个重要的区别。其实他的三个重要特性就是它们之间的区别。* 可靠传输* 流量控制* 拥塞控制TCP 主要是 确认重传机制 数据校验 数据合理分片和排序 流量控制 拥塞控制 依靠来完成可靠传输的 , 下面详细介绍这几种保证可靠传输的方式。确认重传，简单来说就是接收方收到报文以后给发送方一个 ACK 回复，说明自己已经收到了发送方发过来的数据。如果发送方等待了一个特定的时间还没有收到接收方的 ACK 他就认为数据包丢了，接收方没有收到就会重发这个数据包。好的，上面的机制还是比较好理解的，但是我们会发现一个问题，那就是如果接收方已经收到了数据然后返回的 ACK 丢失，发送方就会误判导致重发。而此时接收方就会收到冗余的数据，但是接收方怎么能判定这个数据是冗余的还是新的数据呢？这就涉及到了 TCP 的另外一个机制就是采用序号和确认号，也就是每次发送数据的时候这个报文段里面包括了当前报文段的序号和对上面的报文的确认号，这样我们的接收方可以根据自己接受缓存中已经有的数据来确定是否接受到了重复的报文段。这时候如果出现上面所说的 ACK 丢失，导致接受重复的报文段时客户端丢弃这个冗余的报文段。好现在我们大致了解了确认重传机制，但是还有些东西还没有弄清楚，也就是 TCP 真正的实现究竟是怎样的。这就是我们要解决的第一个问题就是如何确认。这里涉及到两种确认方式，分别称为 累计确认（捎带确认）和单停等协议。用一张图来快速理解，就是每发送一次数据，就进行一次确认。等发送方收到了 ACK 才能进行下一次的发送。一样的也是采用的 ACK 机制，但是注意一点的是，并非对于每一个报文段都进行确认，而仅仅对最后一个报文段确认，捎带的确认了上图中的 203 号及以前的报文。总结：从上面可以看到累计确认的效率更加高，首先他的确认包少一些那么也就是在网络中出现的大部分是需要传输的数据，而不是一半的数据一半的 ACK ，然后我们在第二张图中可以看到我们是可以连续发送多个报文段的（究竟一次性能发多少这个取决于发送窗口，而发送窗口又是由接受窗口和拥塞窗口一起来决定的。），一次性发多个数据会提高网络的吞吐量以及效率这个可以证明，比较简单这里不再赘述！结论：显然怎么看都是后者比较有优势，TCP 的实现者自然也是采用的累计确认的方式！上文中的那个特定的时间就是超时时间，为什么有这个值呢? 其实在发送端发送的时候就为数据启动了一个定时器，这个定时器的初始值就是超时时间。超时时间的计算其实有点麻烦，主要是我们很难确定一个确定的值，太长则进行了无意义的等待，太短就会导致冗余的包。TCP 的设计者们设计了一个计算超时时间的公式，这个公式概念比较多，有一点点麻烦，不过没关系我们一点点的来。首先我们自己思考如何设计一个超时时间的计算公式，超时时间一般肯定是和数据的传输时间有关系的，他必然要大于数据的往返时间（数据在发送端接收端往返一趟所用的时间）。好，那么我们就从往返时间下手，可是又有一个问题就是往返时间并不是固定的我们有如何确定这个值呢？自然我们会想到我们可以取一小段时间的往返时间的平均值来代表这一时间点的往返时间，也就是微积分的思想！好了我们找到了往返时间（RTT），接下来的超时时间应该就是往返时间再加上一个数就能得到超时时间了。这个数也应该是动态的，我们就选定为往返时间的波动差值，也就是相邻两个往返时间的差。下面给出我们所预估的超时时间（TimeOut）公式：很好，看到这里其实你已经差不多理解了超时时间的计算方式了，只不过我们这个公式不够完善，但是思路是对的。我们这时候来看看 TCP 的实现者们采用的方式。好的，这就是 TCP 实现的超时时间的方式，但是在实际的应用中并不是一直采用的这种方式。假如说我们现在网络状态非常的差，一直在丢包我们根本没必要这样计算，而是采用直接把原来的超时时间加倍作为新的超时时间。总结：好的现在我们知道了在两种情况下的超时时间的计算方式，正常的情况下我们采用的上面的比较复杂的计算公式，也就是RTT+波动值否则直接加倍上面我们看到在发送方等待一个超时重传时间后会开始重传，但是我们计算的超时重传时间也不定就很准，也就是说我们经常干的一件事就会是等待，而且一般等的时间还挺长。那么可不可以优化一下呢？当然，在 TCP 实现中是做了优化的，也就是这里说到的快速重传机制。他的原理就是在发送方收到三个冗余的 ACK 的时候，就开始重传那个报文段。那么为什么是三个冗余的 ACK 呢？注意三个冗余的 ACK 其实是四个 ACK 。我们先了解一下发送 ACK 策略，这个是RFC 5681 文档规定的。好的，那么现在我们可以看到如果出现了三个冗余的 ACK 他只可能是发生了两次情况三，也就是发送了两个比期望值大的数据。但是注意出现情况三有两种可能，一个是丢包，另外一个是乱序到达。比如说我们现在是数据乱序到达的，我们来看一下。第一种乱序情况另外一种乱序丢包情况结论: 很显然我们可以看到，如果发生了乱序有可能会出现三次冗余 ACK，但是如果发现了丢包必然会有三次冗余 ACK 发生，只是 ACK 数量可能更多但是不会比三次少在我们发现丢包以后我们需要重传，但是我们重传的方式也有两种方式可以选择分别是GBN和SR翻译过来就是拉回重传和选择重传。好其实我们已经能从名字上面看出来他们的作用方式了，拉回重传就是哪个地方没收到那么就从那个地方及以后的数据都重新传输，这个实现起来确实很简单，就是把发送窗口和接受窗口移回去，但是同样的我们发现这个方式不实用干了很多重复的事，效率低。那么选择重传就是你想到的谁丢了，就传谁。不存在做无用功的情况。结论:TCP 实际上使用的是两者的结合，称为选择确认，也就是允许 TCP 接收方有选择的确认失序的报文段，而不是累计确认最后一个正确接受的有序报文段。也就是跳过重传那些已经正确接受的乱序报文段。数据校验，其实这个比较简单就是头部的一个校验，然后进行数据校验的时候计算一遍 checkSum 比对一下。在 UDP 中，UDP 是直接把应用层的数据往对方的端口上 “扔” ，他基本没有任何的处理。所以说他发给网络层的数据如果大于1500字节,也就是大于MTU。这个时候发送方 IP 层就需要分片。把数据报分成若干片，使每一片都小于MTU.而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情,而更严重的是 ，由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时 ， 接收方便无法重组数据报，将导致丢弃整个UDP数据报。而在 TCP 中会按MTU合理分片，也就是在 TCP 中有一个概念叫做最大报文段长度（MSS）它规定了 TCP 的报文段的最大长度，注意这个不包括 TCP 的头，也就是他的典型值就是 1460 个字节（TCP 和 IP 的头各占用了 20 字节）。并且由于 TCP 是有序号和确认号的，接收方会缓存未按序到达的数据，根据序号重新排序报文段后再交给应用层。流量控制一般指的就是在接收方接受报文段的时候，应用层的上层程序可能在忙于做一些其他的事情，没有时间处理缓存中的数据，如果发送方在发送的时候不控制它的速度很有可能导致接受缓存溢出，导致数据丢失。相对的还有一种情况是由于两台主机之间的网络比较拥塞，如果发送方还是以一个比较快的速度发送的话就可能导致大量的丢包，这个时候也需要发送方降低发送的速度。虽然看起来上面的两种情况都是由于可能导致数据丢失而让发送主机降低发送速度，但是一定要把这两种情况分开，因为前者是属于 流量控制而后者是拥塞控制，那将是我们后面需要讨论的事情。不要把这两个概念混了。其实说到流量控制我们就不得不提一下滑动窗口协议，这个是流量控制的基础。由于 TCP 连接是一个全双工的也就是在发送的时候也是可以接受的，所以在发送端和接收端同时维持了发送窗口和接收窗口。这里为了方便讨论我们就按照单方向来讨论。接收方维持一个接受窗口，发送方一个发送窗口。发送的时候要知道接受窗口还有多少空间，也就是发送的数据量不能超过接受窗口的大小，否则就溢出了。而当我们收到一个接收方的 ACK 的时候我们就可以移动接受窗口把那些已经确认的数据滑动到窗口之外，发送窗口同理把确认的移出去。这样一直维持两个窗口大小，当接收方不能在接受数据的时候就把自己的窗口大小调整为 0 发送窗口就不会发送数据了。但是有一个问题，这个时候当接收窗口再调大的时候他不会主动通知发送方，这里采用的是发送方主动询问。还是画个图看的比较直观：拥塞控制一般都是由于网络中的主机发送的数据太多导致的拥塞，一般拥塞的都是一些负载比较高的路由，这时候为了获得更好的数据传输稳定性，我们必须采用拥塞控制，当然也为了减轻路由的负载防止崩溃。这里主要介绍两个拥塞控制的方法，一个是慢开始，另外一个称为快恢复。那么问题来了，为什么需要序号呢？为什么又是三次握手而不是两次？以及什么是 SYN 洪泛攻击？这里需要说明一下的是最后的那个长长的 TIME_WAIT 状态一般是为了客户端能够发出 ACK 一般他的值是 1分钟 或者2分钟好了，今天真的写了不少，主要就是把 TCP 的可靠传输以及连接管理讲清楚了，以及里面的一下细节问题，真的很花时间。然后其他没有涉及到的就是关于 TCP 的头并没有详细的去分析，这个东西其实也不是很难，但是现在篇幅真的已经很大就先这样，头里面的都是固定的不需要太多的理解。