TCP 可靠传输与流量控制的实现

TCP 可靠传输与流量控制的实现

一、TCP可靠传输的实现

现在所讲的可靠传输是根据之前所说的可靠传输原理的实现，是现实中应用的技术。

1.1.以字节为单位的滑动窗口

如图A端一份文件分为了多个字节，每个字节用带有字节号的方块表示。A需要把这份文件发个B，发送时文件先放入A的发送缓存中排队，准备发送。B中有一个接收缓存，用于存放接收到的由文件分成的多个字节数据。

• 通信时，B要与A建立会话（连接）（TCP是面向连接的），建立连接时B计算机要根据自己的接收缓存的大小设定合适的接收窗口，单位为字节，并告诉A计算机。如图中B的接收窗口设为20字节。
• A根据B告知的接收窗口大小设定字节的发送窗口为20个字节，二者要一致。
• 随后A开始向B发送数据，第一个发送的数据包可以是由26~28字节组成，不用等待B回复确认信息，继续发送发送窗口中剩下的29~45字节数据。于是可以发出由29~32字节组成的第二个数据包、由33~35字节组成的第三个数据包、由36~45字节组成的第四个数据包（组成一个数据包的字节数是不固定的）。

• A发出总共包含26~45二十个字节的四个数据包，A在没有收到B的确认信息前不能把发送窗口中26~35字节的数据删除，因为由于网络原因可能需要重发这些字节的数据。但是发送窗口外的数据不能继续发送。
• 当B收到了前两个数据包发现编号是连续的，就向A发送一个确认信息，表示已正确无误接收了前7个字节数据并要求A发送第36个字节之后的数据，即确认号ACK=36；

• A收到B发出的确认信息之后，发送窗口删除窗口中26~32字节数据的缓存，并向右移动到33字节处。即46~52字节的数据进入发送窗口可以以数据包的形式向B发送。

• 紧接着B陆续接收到数据包2、3，并向A发送确认信息。由于已发送了数据包1的确认信息，所以B的接收窗口向右移动，把数据包1包含的26~32字节数据移出接收窗口。这就相当于B计算机已经接收到了文件的26~32字节部分，相当于下载东西时的临时文件，应用进程可读取该部分。

如此循环，A的发送缓存和B的接收缓存会动态地清理空间，供发送窗口和接收窗口循环使用，直至把文件传输完成。这就是以字节为单位的滑动窗口实现的TCP可靠传输。

注意：

• A中，P3 – P1 = A 的发送窗口（又称为通知窗口）；

  P2 – P1 = 已发送但尚未收到确认的字节数；

  P3 – P2 = 允许发送但尚未发送的字节数（又称为可用窗口）。

• A 的发送窗口内的序号都已用完，但还没有再收到确认，必须停止发送。

1.2.当存在数据包丢失情况下实现可靠传输

• A向B发送3个数据包，再发送过程中第二个数据包丢了，只有第一个和第三个数据包到达B。

• 26~29连续字节数据到达B后，B向A发送确认数据包，其中ACK=30，A收到后相应地移动发送窗口；B只接收到30~35字节数据中的33~35字节，于是向A发送确认数据包，其中有一个选择性确认号SACK，告诉A端收到了33~35字节，只需要发送缺失的30~32字节数据即可。最终B收到30~35连续的字节了，再向A发送确认数据包，其中ACK=36，A收到后再次移动发送窗口。

补充说明：

• A 的发送窗口并不总是和 B 的接收窗口一样大（因为有一定的时间滞后）。
• TCP 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理。通常是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程。
• TCP 要求接收方必须有累积确认的功能，这样可以减小传输开销。

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二、超时重传时间的选择

2.1.加权平均往返时间RTT

TCP 每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。

由于网络的通畅情况随时间变化，所以数据往返时间RTT是变化的。采用以下公式计算新的平均往返时间。

• 式中RTTs表示加权平均往返时间 （又称为平滑的往返时间），即传输数据时多次往返时间RTT的平均值。
• 式中，0 < a < 1。若 a 接近于零，表示新RTTs值较依赖旧RTT值，说明 RTT 值更新较慢，网速稳定；若选择 a 接近于 1，表示新RTTs值较依赖新RTT值，说明 RTT 值更新较快，网速不稳定。
• RFC 2988 推荐的 a 值为 1/8，即 0.125。

2.2.超时重传时间 RTO (RetransmissionTime-Out)

• RTO 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 x RTTd

• RTTd 是 RTT 的偏差的加权平均值。

• RFC 2988 建议这样计算 RTTd。第一次测量时，RTTd 值取为测量到的 RTT 样本值的一半。在以后的测量中，则使用下式计算加权平均的 RTTd：

• β 是个小于 1 的系数，其推荐值是 1/4，即 0.25。

往返时间的测量相当复杂

• TCP 报文段 1 没有收到确认。重传（即报文段 2）后，收到了确认报文段 ACK。
• 如何判定此确认报文段是对原来的报文段 1 的确认，还是对重传的报文段 2 的确认？

2.3.Karn 算法

• 在计算平均往返时间 RTT 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平均往返时间 RTTS 和超时重传时间 RTO 就较准确。

2.4.修正的 Karn 算法

• 报文段每重传一次，就把 RTO 增大一些：

• 系数 g 的典型值是 2 。

• 当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时延更新平均往返时延 RTT 和超时重传时间 RTO 的数值。

• 实践证明，这种策略较为合理。

2.5.选择确认 SACK (Selective ACK)

• 接收方收到了和前面的字节流不连续的两个字节块。
• 如果这些字节的序号都在接收窗口之内，那么接收方就先收下这些数据，但要把这些信息准确地告诉发送方，使发送方不要再重复发送这些已收到的数据。
• RFC 2018 的规定：
  • 如果要使用选择确认，那么在建立 TCP 连接时，就要在 TCP 首部的选项中加上“允许 SACK”的选项，而且双方必须都事先商定好。
  • 如果使用选择确认，那么原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。只是以后在 TCP 报文段的首部中都增加了 SACK 选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。
  • 由于首部选项的长度最多只有 40 字节，而指明一个边界就要用掉 4 字节，因此在选项中最多只能指明 4 个字节块的边界信息。

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三、TCP的流量控制

3.1.利用滑动窗口实现流量控制

• 一般说来，我们总是希望数据传输得更快一些。但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。

• 流量控制(flow control)就是让发送方的发送速率不要太快，既要让接收方来得及接收，也不要使网络发生拥塞。

• 流量控制举例：

A 向 B 发送数据。在连接建立时，B 告诉 A：“我的接收窗口 rwnd = 400（字节）”。

由图可知，利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制。