TCP重傳與擁塞控制機(jī)制一覽

• 重傳機(jī)制

• 超時(shí)重傳

• 快速重傳

• SACK 方法

• Duplicate SACK

• 滑動(dòng)窗口

• 窗口大小

• 接收窗口

• 發(fā)送窗口

• 擁塞控制

• 慢啟動(dòng)
  

• 擁塞避免

• 擁塞發(fā)生

• 為何快速重傳是選擇3次ACK？

• 快速恢復(fù)

重傳機(jī)制一般是用來(lái)解決數(shù)據(jù)包在錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中丟失的情況。

常見(jiàn)的重傳機(jī)制：

超時(shí)重傳

快速重傳

SACK

D-SACK

重傳機(jī)制的其中一個(gè)方式，就是在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)定一個(gè)定時(shí)器。

當(dāng)超過(guò)指定的時(shí)間后，沒(méi)有收到對(duì)方的 ACK 確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文，就會(huì)重發(fā)該數(shù)據(jù)，也就是我們常說(shuō)的超時(shí)重傳。

TCP 會(huì)在以下兩種情況發(fā)生超時(shí)重傳：

數(shù)據(jù)包丟失

確認(rèn)應(yīng)答丟失

超時(shí)時(shí)間應(yīng)該設(shè)置為多少呢？

超時(shí)重傳時(shí)間 RTO 的值應(yīng)該略大于報(bào)文往返 RTT 的值

RTT 指的是數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻到接收到確認(rèn)的時(shí)刻的差值，也就是包的往返時(shí)間。

超時(shí)重傳時(shí)間是以 RTO （Retransmission Timeout 超時(shí)重傳時(shí)間）表示。

如果超時(shí)重發(fā)的數(shù)據(jù)，再次超時(shí)的時(shí)候，又需要重傳的時(shí)候，TCP 的策略是超時(shí)間隔加倍。

也就是每當(dāng)遇到一次超時(shí)重傳的時(shí)候，都會(huì)將下一次超時(shí)時(shí)間間隔設(shè)為先前值的兩倍。兩次超時(shí)，就說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差，不宜頻繁反復(fù)發(fā)送。

快速重傳

TCP 還有另外一種快速重傳（Fast Retransmit）機(jī)制，它不以時(shí)間為驅(qū)動(dòng)，而是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)重傳。

快速重傳機(jī)制只解決了一個(gè)問(wèn)題，就是超時(shí)時(shí)間的問(wèn)題，但是它依然面臨著另外一個(gè)問(wèn)題。就是重傳的時(shí)候，是重傳之前的一個(gè)，還是重傳所有的問(wèn)題。

為了解決不知道該重傳哪些 TCP 報(bào)文，于是就有 SACK 方法。

還有一種實(shí)現(xiàn)重傳機(jī)制的方式叫：SACK（ Selective Acknowledgment 選擇性確認(rèn)）。

這種方式需要在 TCP 頭部「選項(xiàng)」字段里加一個(gè) SACK 的東西，它可以將緩存的地圖發(fā)送給發(fā)送方，這樣發(fā)送方就可以知道哪些數(shù)據(jù)收到了，哪些數(shù)據(jù)沒(méi)收到，知道了這些信息，就可以只重傳丟失的數(shù)據(jù)。

Duplicate SACK 又稱 D-SACK，其主要使用了 SACK 來(lái)告訴「發(fā)送方」有哪些數(shù)據(jù)被重復(fù)接收了。

滑動(dòng)窗口是為了提升通信效率在操作系統(tǒng)開(kāi)辟的一個(gè)緩存空間，發(fā)送方主機(jī)在等到確認(rèn)應(yīng)答返回之前，必須在緩沖區(qū)中保留已發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果按期收到確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí)數(shù)據(jù)就可以從緩存區(qū)清除。

TCP 利用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制。流量控制是為了控制發(fā)送方發(fā)送速率，保證接收方來(lái)得及接收。

TCP會(huì)話的雙方都各自維護(hù)一個(gè)發(fā)送窗口和一個(gè)接收窗口。接收窗口大小取決于應(yīng)用、系統(tǒng)、硬件的限制。發(fā)送窗口則取決于對(duì)端通告的接收窗口。

接收方發(fā)送的確認(rèn)報(bào)文中的window字段可以用來(lái)控制發(fā)送方窗口大小，從而影響發(fā)送方的發(fā)送速率。將接收方的確認(rèn)報(bào)文window字段設(shè)置為 0，則發(fā)送方不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

TCP頭包含window字段，16bit位，它代表的是窗口的字節(jié)容量，最大為65535。這個(gè)字段是接收端告訴發(fā)送端自己還有多少緩沖區(qū)可以接收數(shù)據(jù)。于是發(fā)送端就可以根據(jù)這個(gè)接收端的處理能力來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不會(huì)導(dǎo)致接收端處理不過(guò)來(lái)。接收窗口的大小是約等于發(fā)送窗口的大小。

窗口大小由哪一方?jīng)Q定？

TCP 頭里有一個(gè)字段叫 Window，也就是窗口大小。

這個(gè)字段是接收方告訴發(fā)送端子機(jī)還有多少緩沖區(qū)可以接收數(shù)據(jù)的。

發(fā)送端會(huì)根據(jù)反饋回來(lái)的信息發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就可以保證不會(huì)出現(xiàn)接收端處理不過(guò)來(lái)的情況。

這其實(shí)就是流量控制。

流量控制是TCP 提供的一種可以讓「發(fā)送方」根據(jù)「接收方」的實(shí)際接收能力控制發(fā)送的數(shù)據(jù)量的一種機(jī)制。

#1 是已發(fā)送并收到 ACK確認(rèn)的數(shù)據(jù)：1~31 字節(jié)

#2 是已發(fā)送但未收到 ACK確認(rèn)的數(shù)據(jù)：32~45 字節(jié)

#3 是未發(fā)送但總大小在接收方處理范圍內(nèi)（接收方還有空間）：46~51字節(jié)

#4 是未發(fā)送但總大小超過(guò)接收方處理范圍（接收方?jīng)]有空間）：52字節(jié)以后

程序是如何表示發(fā)送方的四個(gè)部分的呢？

TCP 滑動(dòng)窗口方案使用三個(gè)指針來(lái)跟蹤在四個(gè)傳輸類別中的每一個(gè)類別中的字節(jié)。

其中兩個(gè)指針是絕對(duì)指針（指特定的序列號(hào)），一個(gè)是相對(duì)指針（需要做偏移）。

SND.WND：表示發(fā)送窗口的大?。ù笮∈怯山邮辗街付ǖ模?；

SND.UNA（Send Unacknoleged）：是一個(gè)絕對(duì)指針，它指向的是已發(fā)送但未收到確認(rèn)的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)，也就是 #2 的第一個(gè)字節(jié)。

SND.NXT：也是一個(gè)絕對(duì)指針，它指向未發(fā)送但可發(fā)送范圍的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)，也就是 #3 的第一個(gè)字節(jié)。

指向 #4 的第一個(gè)字節(jié)是個(gè)相對(duì)指針，它需要 SND.UNA 指針加上 SND.WND 大小的偏移量，就可以指向 #4 的第一個(gè)字節(jié)了。

#1 + #2 是已成功接收并確認(rèn)的數(shù)據(jù)（等待應(yīng)用進(jìn)程讀?。?/p>

#3 是未收到數(shù)據(jù)但可以接收的數(shù)據(jù)；

#4 未收到數(shù)據(jù)并不可以接收的數(shù)據(jù)；

其中三個(gè)接收部分，使用兩個(gè)指針進(jìn)行劃分:

RCV.WND：表示接收窗口的大小，它會(huì)通告給發(fā)送方。

RCV.NXT：是一個(gè)指針，它指向期望從發(fā)送方發(fā)送來(lái)的下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的序列號(hào)，也就是 #3 的第一個(gè)字節(jié)。

指向 #4 的第一個(gè)字節(jié)是個(gè)相對(duì)指針，它需要 RCV.NXT 指針加上 RCV.WND 大小的偏移量，就可以指向 #4 的第一個(gè)字節(jié)了。

接收窗口和發(fā)送窗口的大小是相等的嗎？

并不是完全相等，接收窗口的大小是約等于發(fā)送窗口的大小的。

因?yàn)榻邮沾翱诘拇笮∈怯?TCP報(bào)文中的 Windows 字段來(lái)告訴發(fā)送方的，而這個(gè)傳輸過(guò)程是存在實(shí)驗(yàn)的，所以接收窗口和發(fā)送窗口是約等于的關(guān)系。

為什么要有擁塞控制呀，不是有流量控制了嗎？

流量控制確實(shí)避免了「發(fā)送方」的數(shù)據(jù)填滿「接收方」的緩存，但是機(jī)制并不知道網(wǎng)絡(luò)的中發(fā)生了什么。

網(wǎng)絡(luò)中對(duì)資源需求超過(guò)了資源可用量的情況就叫做擁塞。

如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，分組將會(huì)丟失，此時(shí)發(fā)送方會(huì)繼續(xù)重傳，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞程度更高。因此當(dāng)出現(xiàn)擁塞時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制發(fā)送方的速率。這一點(diǎn)和流量控制很像，但是出發(fā)點(diǎn)不同。

流量控制是為了讓接收方能來(lái)得及接收，而擁塞控制是為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。

擁塞控制主要是四個(gè)算法：

慢啟動(dòng)

擁塞避免

擁塞發(fā)生

快速恢復(fù)

擁塞窗口：為了調(diào)節(jié)發(fā)送方所要發(fā)送數(shù)據(jù)的量而引入的概念

發(fā)送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是約等于的關(guān)系

加入了擁塞窗口的概念后，此時(shí)發(fā)送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，

擁塞窗口 cwnd 變化的規(guī)則：

只要網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，cwnd 就會(huì)增大；

但網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了擁塞，cwnd 就減少；

機(jī)制含義：TCP 在剛建立連接完成后，緩慢提高發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量

算法機(jī)制：當(dāng)發(fā)送方每收到一個(gè) ACK，擁塞窗口 cwnd 的大小就會(huì)加 1。

有一個(gè)叫慢啟動(dòng)門限 ssthresh （slow start threshold）狀態(tài)變量。

當(dāng) cwnd < ssthresh 時(shí)，使用慢啟動(dòng)算法。

當(dāng) cwnd >= ssthresh 時(shí)，就會(huì)使用「擁塞避免算法」。

算法機(jī)制：每當(dāng)收到一個(gè) ACK 時(shí)，cwnd 增加 1/cwnd。

如圖，擁塞避免算法就是將原本慢啟動(dòng)算法的指數(shù)增長(zhǎng)變成了線性增長(zhǎng)，還是增長(zhǎng)階段，但是增長(zhǎng)速度緩慢了一些。

就這么一直增長(zhǎng)著后，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)慢慢進(jìn)入了擁塞的狀況了，于是就會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，這時(shí)就需要對(duì)丟失的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。

當(dāng)觸發(fā)了重傳機(jī)制，也就進(jìn)入了「擁塞發(fā)生算法」。

TCP擁塞控制默認(rèn)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的，，所以一般的TCP擁塞控制算法以丟包為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞狀態(tài)的信號(hào)。

對(duì)于丟包有兩種判定方式：

超時(shí)重傳

快速重傳

超時(shí)重傳：是TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)可靠性的一個(gè)重要機(jī)制，其原理是在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)以后就開(kāi)啟一個(gè)計(jì)時(shí)器，在一定時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有得到發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的ACK報(bào)文，那么就重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功為止。

當(dāng) RTO超時(shí)后，TCP會(huì)重傳 數(shù)據(jù)包并做出以下反映。

將慢啟動(dòng)的閾值設(shè)置為 當(dāng)前 cwnd 的一半

cwnd 重置為一

進(jìn)入慢啟動(dòng)過(guò)程

快速重傳：當(dāng)發(fā)送端接收到3個(gè)以上的重復(fù)ACK，TCP就意識(shí)到數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，需要快速重傳。

快速重傳后不會(huì)使用慢啟動(dòng)算法，而是直接使用擁塞避免算法。所以也叫快速恢復(fù)算法Fast Recovery。

cwnd大小縮小為當(dāng)前的一半

將慢啟動(dòng)的閾值設(shè)置為為縮小后的cwnd大小

然后進(jìn)入快速恢復(fù)算法Fast Recovery。

為何快速重傳是選擇3次ACK？

兩次duplicated ACK時(shí)很可能是亂序造成的！三次duplicated ACK時(shí)很可能是丟包造成的！四次duplicated ACK更更更可能是丟包造成的，但是這樣的響應(yīng)策略太慢。丟包肯定會(huì)造成三次duplicated ACK!綜上是選擇收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)時(shí)窗口減半效果最好，這是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

快速重傳和快速恢復(fù)算法一般同時(shí)使用，快速恢復(fù)算法是認(rèn)為，你還能收到 3 個(gè)重復(fù) ACK 說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)也不那么糟糕，所以沒(méi)有必要像 RTO 超時(shí)那么強(qiáng)烈。

然后，進(jìn)入快速恢復(fù)算法如下：

擁塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （ 3 的意思是確認(rèn)有 3 個(gè)數(shù)據(jù)包被收到了）；

重傳丟失的數(shù)據(jù)包；

如果再收到重復(fù)的 ACK，那么 cwnd 增加 1；

如果收到新數(shù)據(jù)的 ACK 后，把 cwnd 設(shè)置為第一步中的 ssthresh 的值，原因是該 ACK 確認(rèn)了新的數(shù)據(jù)，說(shuō)明從 duplicated ACK 時(shí)的數(shù)據(jù)都已收到，該恢復(fù)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，可以回到恢復(fù)之前的狀態(tài)了，也即再次進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)；

關(guān)于TCP的總結(jié)就到這里啦，你弄懂了嗎？

本文節(jié)選自：小林coding

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