[网络协议]TCP学习笔记

目录

TCP头部

TCP连接建立和拆除

TCP 3-WAY握手

TCP 4-WAY 挥手

TCP可靠传输

缓存区与窗口

发送缓存SBUFF和发送窗口SWND

接收缓存RBUFF和接收窗口RWND

TCP确认机制

拥塞窗口（CWND）

TCP拥塞控制

慢启动

拥塞避免

快重传

快恢复

全局同步

部分图例摘取自《计算机网络（第7版）》- 谢希仁

TCP是一种面向连接的传输层协议。在无连接的IP业务中实现面向连接，需要实现：

1. 传输前要知会对端传输即将开始；
2. 传输过程中信息必须按顺序完整送达；
3. 传输结束要知会对端传输完毕。

对于1、3而言，TCP使用3-WAY握手、4-WAY挥手机制建立和拆除连接。对于2，TCP采用序列号和确认来确保信息的按顺序完整送达。而且使用了拥塞避免的方法，尽可能匹配发送方和接收方的速率。

TCP头部

首先介绍一下TCP的头部，TCP的标准头部由20字节构成：

TCP连接建立和拆除

TCP 3-WAY握手

TCP 4-WAY 挥手

TCP可靠传输

TCP通过3次握手建立连接，4次挥手拆除连接，并通过以下3个机制保障传输的可靠性。这3个机制是：

• 校验。发送端发送每个数据段都进行校验，接收端校验失败的数据段直接丢弃；
• 序列号。发送端对每个待发送字节记序列号，并在数据段中表明本段第一个字节的序列号。接收端在接收窗口（RWND）对接收字节进行排序。
• 连续ARQ。接收端对接收窗口内的字节进行排序，并通过连续ARQ机制，对排序好的字节进行一次性确认。
• 超时重传。发送端对发送窗口（SWND）内每个数据段计时器。若计时器超时前未收到某一个数据段的确认，将重传该数据段。
• 滑窗。发送端动态调整发送窗口的大小，使其匹配接收窗口和拥塞控制要求。滑窗不是严格意义上可靠传输的手段，但由于滑窗能够使得发送方不会因为发送过快，而接收方缓存太少导致丢包，宏观意义上也有利于可靠传输。

缓存区与窗口

SBUFF和RBUFF可以看作一个环形FIFO队列。在发送端，发送程序把字节按顺序推入SBUFF指针所在位置，TCP从SWND首部取出字节封装发送；在接收端，TCP把接收到的字节推入RWND尾部，接收程序从RBUFF指针处取出字节。以下以发送端发送“HELLOHOWAREYOU”为例子介绍TCP发送和接收缓存。假设MSS（最大数据段尺寸）= 1 Byte，即每个数据段携带1个字节。

发送缓存SBUFF和发送窗口SWND

SWND是在SBUFF内定义的一个区域。SWND的作用是保留尚未确认的字节准备重发。发送端TCP维护3个指针值，包括SWND首部、SWND尾部、SBUFF指针。SWND内的字节已经或正在发送，但未收到确认的字节；从SWND右侧到SBUFF指针的字节是应用程序推入SBUFF等待发送的字节。

1. 发送端应用程序把待发送字节加入到SBUFF指针处（即将加入的字节是“YOU”）。
2. 在收到SWND中部分字节的确认后（这里等待确认的是“HOW”），TCP将SWND内，从SWND首部一直到被确认字节的数据段删除，同时SWND首部和尾部向SBUFF后移。例子中若“HOW”被确认，则SWND内将后移至“ARE”，这里假设SWND大小没有发生变化。
3. SWND内有新的未发送字节，TCP立即发送发送并等待确认。

接收缓存RBUFF和接收窗口RWND

同样，RWND是RBUFF的一个区域。RWND作用主要有两个：拥塞通知和排序。接收端TCP维护3个指针值，包括RBUFF指针值，RWND首部，RWND尾部。RWND首部记录着第一个未收到字节序列号的下一位，RWND尾部记录着从RBUFF指针到RWND首部的字节是缓存区等待TCP送往接收程序的字节；RWND内的字节是等待排序并发送确认的字节。

1. 检查RWND内是否有从当前ACK值开始的连续字节，有则后移RWND，直到没有连续已排序字节，更新当前ACK值并适时发送ACK确认。这里“HELLO”已按顺序接收，RWND后移。
2. 接收端TCP检查RWND的余量，有则接收对应字节数，无则拒绝接收。这里TCP检查RWND余量为3，传入“OW”，并等待接收“H”。
3. 接收端应用程序从RBUFF指针处接收字节并从RBUFF删除。在这里接收端从RBUFF接收了“H”并从RBUFF中删除。RBUFF指针后移。

一般情况下，只有当接收缓存区满了以后，tcp才一次性提交所有数据到应用层。例外情况是接收到psh字段置1的数据段，这要求tcp立即提交缓存区所有数据。但目前很多实现都不会等到缓存区满才进行提交，而是有则提交，因此该标志用途较少。

TCP确认机制

TCP是面向字节的，采用连续ARQ确认机制，由接收方对收到的字节进行确认，确保传输的完整性。

对于SWND内没有发送的字节，TCP设定重传计时器，然后一次性发送完，然后进行下一步操作：

• 若收到确认信息，（ack-1）在SWND内，则认为SWND内这一部分的字节均已被完整接收，可以从SWND删除；
• 若收到确认信息，（ack-1）不在SWND内，则认为该确认是无效的，直接忽略；
• 若没有收到任何确认信息，SWND内部分字节的重传计时器超时，则重置重传计时器，并重发这部分字节。

接收端需要对接收的所有字节进行确认，但不需要对每一个字节都发送一次确认消息。根据连续ARQ要求，当发送方收到一个字节的确认，即可认为该字节本身和其之前的字节都已经被完整接收；接收端也不需要立即确认收到的字节，RFC建议可延迟不超过0.5s。

拥塞窗口（CWND）

接收窗口余量变小，一是发送端发送速度过快，接收端性能不足；二是由于RWND没完成排序。第一种情况下，接收端一方面在发送确认时，把当前RWND余量作为CWND发送给发送端，由发送端调整使得SWND不大于CWND；另一方面将丢弃新接收的字节，由发送端重传定时器超时后重新发送，并启用慢启动。第二种情况下，接收端在收到非等待字节时立即发送等待字节的确认，发送端收到3个同样的确认后启动快重传和快恢复。

TCP拥塞控制

TCP对传输的控制体现在每流和全局两个方面。通过校验码，序列号和确认，TCP确保每流的成功传输。通过拥塞控制，TCP确保在传输路径上的整体效率最大化。

拥塞控制主要实施在发送端，通过2个值和4个机制实现。2个值分别是拥塞窗口CWND，慢启动阈值SSTHRESH；4个机制分别是：慢启动，拥塞避免，快重传，快恢复。以下说明的单位是数据段字节数。

慢启动

发送端在开始发送数据前，首先设置CWND为1，接着按照以下规则计算CWND：

若CWND<SSTHRESH，则每收到1个连续数据段的ACK，CWND+1；

若CWDN>SSTHRESH，则每收到CWND内所有数据段的ACK时，CWND+1。

在CWND<SSTHRESH之前CWND以指数增长，TCP迅速提高发送速率；在CWND>=SSTHRESH，CWND以线性增长，缓慢提高发送速率。

拥塞避免

当重传计时器超时时，发送端设置SSTHRESH=CWND/2，CWND=1

发送端的数据段无法送达或者接收端的ACK无法返回，使发送端TCP认为网络出现了拥塞。这时发送端TCP重新开始慢启动，并更早使CWND进入线性增长。

快重传

当接收端收到了一个非等待的字节时，将立即向发送端发送一个确认，ACK为所等待字节的下一个序列号，请求发送端发送丢失的字节。如果接下来的字节仍然不是所期待的字节，接收端将继续发送相同的确认。

快恢复

当发送端收到3个确认，ACK均为发送窗口的首部Seq，将认为该数据段已经在网络中丢失。发送端将：

• 立即向接收端重新发送该数据段；
• SSTHRESH=CWND/2；
• CWND=SSTHRESH。

由于CWND并没有像拥塞避免一样重新开始慢启动，发送速度只是减半。而且CWND=SSTHRESH，其增长速度为线性增加，降低了网络拥塞的可能性。

全局同步

TCP的拥塞控制虽然单独看起来很完善，但在全局应用中会有很大问题，这就是全局同步（Global Synchronization）。全局同步的含义是，多个TCP流同时慢启动，又同时拥塞避免。

假设在T=0时，一个终端同时对另一个终端发起10个TCP连接。这里不考虑TCP、IP头部消耗，SSTHREST、RWND足够大，MSS=1KB，网络带宽为80KB/s，RTT=2s，重传计时器也是1s。

T=1，CWND均为1，每个TCP流占用1KB/s，流量=10KB/s；

T=2，CWND均为2，每个TCP流占用2KB/s，流量=20KB/s；

T=3，CWND均为4，每个TCP流占用4KB/s，流量=40KB/s；

T=4，CWND均为8，每个TCP流占用8KB/s，流量=80KB/s；

T=5，CWND均为16，每个TCP流占用16KB/s，流量=160KB/s。但带宽只有80KB/s，出现了拥塞。这意味着50%包要被丢弃。这只能由TCP发送端重传计时器超时后重新发送。这里假设所有TCP流都有数据段被丢弃，即所有TCP连接均需要重传。根据拥塞避免，所有TCP流的CWND重置为1。因此：

T=6，CWND均为1，每个TCP流占用1KB/s，流量=10KB/s；

T=7，CWND均为2，每个TCP流占用2KB/s，流量=20KB/s；

T=8，CWND均为4，每个TCP流占用4KB/s，流量=40KB/s；

T=9，CWND均为8，每个TCP流占用8KB/s，流量=80KB/s；

T=10，CWND均为16，每个TCP流占用16KB/s，流量=160KB/s。再一次发生拥塞避免。这个过程将一直循环。

可以看到，全局同步很大程度上将影响网络的传输效率。超过1半时间，网络的利用率都低于50%，还有一些时间网络过载。

目前较为合理应对全局同步的方式，就是在网络中部署RED（随机早期检测/随机早期丢弃），在每个TCP流接近链路总带宽的百分比时，随机丢弃该流的部分数据段。这样可以使TCP进入快重传和快恢复，提早进入线性增长，控制TCP流速率。