[网络协议]TCP重传，滑动窗口，流量控制，拥塞控制

重传机制

• 超时重传
• 快速重传
• SACK
• D-SACK

超时重传

RTT 就是 数据从网络一端传送到另一端所需要的时间，也就是包的往返时间。

超时重传时间以 RTO 表示，应该略大于RTT。

如果超时重发的数据，再次超时时有需要重传，TCP的策略是超时间隔加倍。也就是每当遇到一次超时重传时，都会将下一次超时时间间隔设为之前的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁发送。

弊端：超时重传的周期相对长，更快的方法是快速重传。

快速重传

快速重传机制，不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。

发送端收到了3个ACK=2的确认，知道了Seq2还没有收到，就会在定时器过期之前，重传丢失的Seq2。

所以，快速重传的工作方式是当收到三个相同ACK报文时，会在定时器之前过期，重传丢失的报文段。

问题：重传的时候，是重传之前的一个，还是重传所有的问题。

SACK 方法

SACK （选择性确认）

在TCP头部[选项]字段里加一个SACK的东西，它可以将缓存的地图发送给对方，发送方就知道哪些数据收到哪些没收到，只重传丢失的数据。

D-SACK

主要是用SACK来告诉发送方有哪些数据被重复接受了。

D-SACK有这么几个好处：

1. 可以让发送方知道，是发出去的包丢了，还是接收方回应的ACK包丢了。
2. 可以知道是不是 发送方的数据包被网络延迟了；
3. 可以知道网络中是不是把发送方的数据包复制了

滑动窗口

以往的传输方式是 发一个，回应一次，才能继续发。这样的缺点是往返时间长，通信效率低。

为解决这个问题，引入窗口的概念，即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率。窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。

• 发送窗口
• 接受窗口

流量控制

为了解决这种现象发?，TCP 提供?种机制可以让「发送?」根据「接收?」的实际接收能?控制发送的数据量， 这就是所谓的流量控制。

• 操作系统缓冲区与滑动窗口的关系
• 窗口关闭
• 糊涂窗口综合症

操作系统缓冲区与滑动窗口的关系

实际上，发送窗口和接受窗口所存放的字节数，都是放在操作系统的内存缓冲区中的，而操作系统的缓冲区，会被操作系统调制。

操作系统的缓冲区是如何影响发送窗口和接收窗口的呢？

两个例子

• 假设服务端作为接收端，服务端非常繁忙，收到客户端的数据时，应用层不能及时读取数据，最终客户端收到确认和窗口报文后，发送窗口减少为0.
• 当服务端系统资源非常紧张时，可能会直接减小接收缓冲区大小，这时应用程序又无法及时读取缓存数据，这样就会出现数据包丢失的现象。

所以，如果发生了先减少缓存，再收缩窗口，就会出现丢包现象。

为了防止这种情况，TCP规定不允许同时减少缓存又收缩窗口，而是先收缩窗口，果断时间再减小缓存。

窗口关闭

如果窗口大小为0，就会阻止发送方给接收方传递数据，直到窗口变为非0，这就是窗口关闭。

窗口关闭潜在危险

当发送窗口关闭，接收方处理完数据后，会向发送方发送一个窗口非0的ACK报文，如果这个报文丢失，那么将会形成死锁。

解决方法

TCP为每个连接设有一个持续定时器，只要TCP连接的一方收到零窗口通知，就启动持续定时器。定时器超时，就会发生窗口探测报文，对方确认后，就会回应。打破死锁的局面。

窗口探测一般为3次，3次过后接收窗口还是0的话，有的TCP就会发RST报文来中断连接。

糊涂窗口综合症

当发送窗口越来越小时，如果接收?腾出?个字节并告诉发送?现在有?个字节的窗?，?发送?会义?反顾地发送这?个字节， 这就是糊涂窗?综合症。

现象来源：

• 接收方可以通告一个小窗口
• 发送方可以发送小数据

解决方法

1. 当窗口大小小于 min(MSS，缓存空间/2)，也就是小于MSS与1/2缓存大小中的最小值时，就会向发送方通告窗口为0，阻止对方发数据。等接收方处理了一些数据，满足条件后再打开窗口。
2. 使用Nagle算法，延时处理数据，避免发送方发送小数据。

拥塞控制

与流量控制的区别

前面的流量控制是避免 [发送方] 的数据填满 [接收方] 的缓存，但是并不知道网络中发生了什么。

在网络出现拥堵时，如果继续发生大量数据包，可能会导致数据包时延，丢失等，这时TCP就会重传，一重传加重网络负担，于是更多包延迟或者丢包，形成恶性循环。

拥塞控制就是用来避免 [发送方] 的数据填满整个网络。

为了在[发送方]调节要发送数据的量，定义了一个叫做 拥塞窗口的概念。

什么是拥塞窗口？

拥塞窗口 cwnd 是发送方维护的一个状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。

拥塞窗口cwnd的变化规则：

• 只要网络中没有出现拥塞，cwnd就会增加；
• 但网络中出现拥塞，cwnd就会减少；

PS：发送窗口 swnd ,接收窗口 rwnd

那么怎么知道网络是否出现拥塞？

只要[发送方]没有在规定时间内收到ACK应答报文，也就是发生了超时重传，就认为网络出现了拥塞。

拥塞控制主要是四个算法：

慢启动

慢启动算法只要记住一个规则就行：当发送方每收到一个ACK，拥塞窗口cwnd的大小就会加1。

cwnd为多大，表示可以传多大的数据。

慢启动什么时候停止

慢启动是指数增长。

有一个叫慢启动门限 ssthresh 的状态变量

• 当cwnd< ssthresh时，使用慢启动算法
• 当cwnd>ssthresh时，使用 拥塞避免算法

拥塞避免算法

cwnd超过 慢启动门限 ssthresh就会进入拥塞避免算法。

一般来说ssthresh的大小是65535字节。

进入拥塞算法后，它的规则是：每当收到一个ACK，cwnd增加 1/cwnd

这样就从慢启动的指数增长变成线性增长了。

但是一直增长下去，网络还是会拥塞，出现丢包现象，这时需要对丢弃的数据进行重传，当重传机制启动，也就进入了 拥塞发生算法

拥塞发生

当网络出现拥塞，也就是发生数据包重传，重传机制有两种。

• 超时重传
• 快速重传

这两种拥塞发生的算法是不同的。

当发生了超时重传

• ssthresh 设为 cwnd/2;
• cwnd = 1;

接着就开始慢启动。但是这种方法太激进了，反应很强烈，会造成网络卡顿。

还有更好的方式：快速重传

当发生了快速重传

• cwnd = cwnd/2;
• ssthresh = cwnd;
• 进入快速恢复算法

快速恢复

快速恢复算法是和快速重传同时使用的。

快速恢复算法如下：

• 拥塞窗口 cwnd =ssthresh +3 （意思是确认有3给数据包被收到了）
• 重传丢失的数据包；
• 如果收到重复的ACK，那么cwnd加1
• 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第?步中的 ssthresh 的值，原因是该 ACK 确认了新的数据，说 明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进 ?拥塞避免状态
  

图片来着 小林coding (侵删）。