【TCP/IP详解 卷一：协议】第二十章 TCP的成块数据流

本章节主要内容：

• ACK的累积
• 滑动窗口协议(即 接收方TCP数据报缓存的大小)
• 流量控制(慢启动 -发送方TCP的 拥塞窗口(cwnd) 以及接受方的 通告窗口)

20.1 引言

在教材的之前章节中可以看到 TFTP 使用了停止等待协议。数据发送方 在发送下一个数据块之前 需要等待接收 对已发送数据的确认。
本章将介绍，TCP的流量控制方法：滑动窗口协议，该协议允许发送方在 停止并等待确认之前可以 连续发送多个分组，这加快了数据的传输。
接下来介绍 TCP的PUSH标志，慢启动，最后是 成块数据流的吞吐量。

20.2 正常数据流

这一章节介绍的是，数据传输过程中，经受时延的确认问题。
一般来说，发送端发送一个数据报之后，接收端都会发送一个 对这个数据报的确认。但是使用TCP的滑动窗口协议的时候，接收方不必对每一个接收的数据报进行确认。我们在上一个章节有提到过，捎带数据的ACK。这里我们要介绍的是，ACK的累积机制。
在TCP中，ACK是累积的，它们表现为 接收方 已经正确接收了 一直到确认序号-1的所有字节。或者说，发送端会一直发送数据 直到接收端缓存已满(或者接近)，而接收方对这些数据 只要以一个ACK的方式进行确认就可以了，类似前面的 经受时延的ACK。

我们在线路上看到的分组顺序依赖于许多无法控制的因素：(1)发送方TCP的实现 (2)接收方TCP的实现 (3)接收端的进程读取数据(依赖于操作系统的调度) (4)网络的动态性(以太网的冲突和退避)

快的发送方 和 慢的接收方

窗口更新：并不用于确认任何数据，只是用来额外增加窗口的右边沿(滑动窗口机制 中的 窗口张开)，因此被称做窗口更新。

20.3 滑动窗口 (接收端TCP数据报缓冲区大小)

接收方通告的窗口 称为 提供的窗口。
窗口大小与确认序号是对应的(确认序号 -> 确认序号 + 窗口大小) ，发送方计算它的可用窗口，该窗口表明：多少数据可以立即被发送。

从发送端来看，滑动窗口协议 就像由四个部分组成的时间轴：(从左到右)

• (1)发送并已经确认的数据
• (2)发送但尚未确认的数据
• (3)尚未发送，但是 接收端已经做好了接收的准备。
• (4)不能发送，接收端尚未做好准备的部分。

滑动窗口三个术语

1.窗口合拢：当窗口的左边沿 从左向右 靠近的时候，这种现象发生在 数据被发送和确认 的时候。
2.窗口张开：当窗口的右边沿 向右边移动 的时候，这种现象发生在 接收端处理了数据 以后。
3.窗口收缩：当窗口的右边沿 向左边移动 的时候，这种现象不常发生。

如果收到一个 命令窗口的左边沿 向左边移动的 ACK，那么会被认为是一个重复的ACK，将被遗弃。

如果窗口左边沿 到达 右边沿的位置，则称为一个零窗口，此时发送方不能发送任何数据。

从例图P213 总结：
(1)发送方不必发送一个全窗口大小的数据。
(2)来自接收方的ACK 把窗口向右边滑动。因为窗口是相对确认序号的。
(3)窗口的大小可以减小：通过窗口通告。但是窗口的右边沿不能向左边移动：即不允许窗口收缩。
(4)接收方在发送一个ACK的时候不必等待 窗口被填满(或者说 TCP数据报缓存已满)，比如经受时延的ACK。

20.4 窗口大小

窗口的大小是可以通过socket来制定的。
对以太网而言，默认的4096字节并不是最理性的大小，将两个缓存增加到 16384个字节 可以增加约40%的吞吐量(单位时间成功传送数据的数量)。

20.5 PUSH标志

发送方使用这个标志通知接收方 将收到的数据 全部提交给 接收端的接收进程。这里的数据包括 和PUSH一起发送的数据 和接收端已经收到的 存储在缓存中的数据。
对于发送端：客户程序 通知 发送方TCP 设置PUSH标志，通知：在向服务器发送一个报文段的时候 不要因为 等待 其他的额外数据 而使 即将发送的数据 在缓存中滞留。就是 马上发送 的意思。
对于接收端：立即将这些数据(刚刚收到的 和 TCP缓存中的数据)递交给 服务器进程，而不能因为 等待 判断还有没有其他的额外数据到达。

许多实现程序认为它已经过时了：一个好的TCP实现 能够自行决定何时设置这个标志。

20.6 慢启动 流量控制算法

-拥塞窗口 避免 中间路由的缓存空间 耗尽

在教材的一些例子中，发送方一开始就向网络发送多个数据报文段，直到达到 通知窗口的大小为止。
但是这样子做带来了一些问题：在发送方和接收方之间 存在多个路由器 或者是 速率较慢的链路(slip)的时候，中间路由器必须对这些 数据报文 进行缓存，这可能使存储器的空间耗尽。
所以，TCP需要支持一种 慢启动(slow start) 的算法：该算法保证 观察到 新分组进入网络的速率 = 另外一端确认的速率。

慢启动 为 发送方的TCP增加了另外一个窗口：拥塞窗口(congestion window)，记为cwnd。
与另外一个网络的主机 建立TCP连接 的时候，拥塞窗口初始化为一个报文段(允许发送一个报文段)，每收到一个ACK，拥塞窗口 就增加一个报文段。 这是一个指数增加的关系。
也就是说：min{拥塞窗口的值, 通告窗口的值} = 发送端在接收到确认的ACK之前 发送报文段的最多数量。

拥塞窗口 是发送方的 流量控制，而 通告窗口 是接收方使用的流量控制。

20.7 成块数据的吞吐量

吞吐量 概念：单位时间内成功传送数据的数量

本节主要介绍 窗口大小 窗口流量控制 以及慢启动 对传输成块数据的 TCP连接的吞吐量 的相互作用。
往返时间RRT(Round-Trip Time)

在刚刚开始的时候，发送方发送了一个报文段，由于此时处在慢启动中(拥塞窗口值 为1)，必须等待接收端对该数据段的确认。

通常发送一个分组的时间取决于两个因素：

• (1)传播时延(由光的有限速率，传播设备的等待时间等引起)
• (2)取决于 媒体速率 的 发送时延

对于一个给定的两个接点之间的通路，传输时延一般是 固定的，而 发送时延 则取决于 分组的大小。
在 速率慢的情况下 起主要作用的是 发送时延。 在 速率非常快的情况下 起主要作用的是 传播时延。

当发送方收到ACK的时候，拥塞窗口的值就+1.
TCP的自计时：由于接收方只在 数据到达的时候 才生成ACK，所以 发送方接收到ACK之间的间隔 与 数据到达接收方的间隔 是一致的。(然而在实际中，返回路径上的排队(拥塞)会改变ACK的到达率)

在拥塞窗口的值足够大之后，发送方和接收方之间的管道(pipe)被填满，此时无论拥塞窗口和通告窗口的值为多少，管道都不能再容纳更多的数据。
当接收方在某个时间段从网络上移走一个报文段，发送方就再发送一个报文段到网络上。
它们就像一辆挤满人的公交车，只有有人下车，才能有其他人上车。
但是不管有多少报文段填充了这个管道，返回路径上总是有相同数目的ACK，这就是理想的稳定状态。

20.7.1 带宽时延乘积 -管道容量的计算

可以计算的 管道容量(capacity) (bit) = 带宽(bandwidth) (b/s) x 往返时间RTT(round-trip time) (s)
一般称为 带宽时延乘积。取决于 带宽 和 往返时间RTT，即 不管是 带宽还是时延 都会影响管道的容量。

20.7.2 拥塞

当数据到达一个大的管道(快速局域网LAN) 并向一个小的管道(慢的广域网) 发送的时候 就会发送拥塞。
当多个输入流到达一个路由器，而 路由器的输出流 小于 这些输入流的总和 的时候也会发送拥塞。
连接 大的管道 和 小的管道 的路由器，称为“瓶颈”。

当 从较慢的管道 返回到 较快的管道时，数据分组 保持在 较慢管道中的间隔。类似的，返回的确认 之间的间隔也与 数据在最慢的链路上的间隔 一致。

20.8 紧急方式

TCP 提供了紧急方式，它告诉另外一端有些具有某种方式的 紧急数据 已经放置在普通的数据流中。而被告知的另外一端，由接收方决定如何处理。
通过设置TCP报文段中的两个字段来使用紧急方式：URG 置为1，16bit 的紧急指针置为一个 正的偏移量。该偏移量必须与TCP首部的序号字段相加，以便得出紧急数据的最后一个字节。

TCP必须通知接收进程，何时已经接收到一个紧急数据指针 以及 何时某个紧急数据指针还不在连接上，或者紧急指针是否在数据流里面向前移动。
接收进程必须被告知 何时碰到了紧急数据指针。
只要接收方在当前读取位置 和 紧急数据指针之间 有数据，就处在 紧急方式。

TCP本身对紧急数据知之甚少，唯一信息就是 URG标志置1 和 紧急指针，其他交给应用程序处理。

许多不正确的实现 错误的称它为 带外数据。这很容易和 TCP的紧急方式 造成混淆。

紧急方式有什么用呢？
-最常见的例子是：Telnet 和 Rlogin：当交互数据用户 键入中止键 的时候。
Telnet 和 Rlogin 从 服务器到客户 使用紧急方式 是因为在这个方向上的数据流 很可能要被客户的TCP停止(通告了一个为0的通告窗口)。

如果服务器进入了紧急方式，尽管不能发送数据，服务器的TCP也会发送紧急指针和URG标志。

当客户多次进入紧急方式的时候，接收方只有一个紧急指针，每当对方有新的值到达的时候它就会被覆盖。所以如果有很重要的数据，必须被发送方以某种形式 特别标记。

2016/8/16