TCP/IP协议族的传输层基础（5）——TCP协议的可靠性机制

TCP采用的下面的方式来实现可靠性

 

• 确认应答机制（ACK）

• 超时重传机制

• 校验和

• 序列号

• 连接管理（三次握手四次挥手）

• 流量控制

• 拥堵控制

确认应答（ACK）机制

• 连接成功之后，发送的每条数据都可能丢失，因此就需要确认应答。

• TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号

• 每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉之前发送这个数据的发送者，我已经收到了哪些数据，下一次你从哪里开始发

                                             

 

 

超时重传机制

                      

• 主机A发送数据给数据B的时候，可能因为网络拥堵等原因，数据无法送到主机B

• 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就认为超时了，进行重发

 

        但另一个情况也可能是主机B发给主机A的确认应答丢了，导致A没有收到确认应答      

                      

        可想而知，这样主机B就会收到多个重复的数据，那么TCP协议需要能够识别出哪些包是重复的包，并且把重复的丢掉，这个时候利用前面的序列号，TCP发现这次发来的序列号之前已经收到过了，就将本次收到的序列号丢弃，可以很好的达到去重的效果

 

超时时长如何确定？

• 最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证确认应答一定能在这个时间内返回

• 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的

• 如果超时时间设的太长，会影响传输效率

• 如果超时时间设的太短，可能应答信息还在路上还没有送到就重发了，导致频繁的发重复的包

 

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态的计算最大超时时间（指数增长）

• Linux中，超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定的超时重发的时间都是500ms的整数倍

• 如果重发一次，仍然得不到应答，等待2*500ms之后再进行重传

• 以此类推，下一次是等待4*500ms

• 累计一定的重传次数后，TCP认为网路或者对端主机出现异常，强制关闭连接（主动发送RST报文）

流量控制

     接收端处理数据的速度是有限的。如果发送太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。

       因此TCP根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，这就是流量控制

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放到TCP首部中的窗口大小字段，通过ACK通知发送端还能接收多少

• 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越大

• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知发送给发送端

• 发送端接收到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度

• 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口大小设置为0，这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端

        对于窗口的实际大小，其实并不是就是窗口大小直接设置的值，在选项字段中还有一个窗口扩大因子M，窗口的实际大小是窗口字段的值左移M位。

 

拥塞控制

        如果在刚开始的阶段，就发送大量的数据，仍然会有拥塞的问题。因为网络上可能有大量的计算机，可能当前的网络状态就比较拥堵，在不清楚网络的状况下，立马发送大量数据是可能会造成拥塞状况的。

       针对这个问题，TCP引入了慢启动机制，先发少量的数据探路，摸清楚当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速率传播。

                                       

• 引入了一个拥塞窗口的概念

• 开始发送数据时，定义拥塞窗口大小为1

• 每次收到一个ACK应答，拥塞窗口+1

• 每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为一次发送的值

如上的增长速度是指数级别的。注意：慢启动只是开始时慢，增长速度是很快的

• 为了不增长那么快，因此不能单纯的加倍

• 此处引入一个慢启动的阈值

• 当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长    

• 当TCP开始启动时，慢启动阈值等于窗口最大值

• 在每次发生拥塞的时候，慢启动阈值变为原来的一半，同时拥塞窗口置为1

                             

发送端判断拥塞发生的依据有两个

• 传输超时，或者说是重传定时器溢出

• 收到重复的确认报文段

第一种情况，仍然使用慢启动和拥塞避免，如上图，只是将阈值减少

第二种情况，则采用快速重传（当收到三个连续的重复的确认报文段时，认为拥塞发生），此时发送端会重新发送重复的确认报文段要求的下一段数据。快速重传的具体机制请看下一篇博客TCP提高性能的机制

 

    

少量的丢包，仅仅造成超时重传；大量的丢包，就被认为是网络拥堵

拥塞堵塞，归根结底是TCP为了尽可能快的把数据传给对方，同时又要避免给网路造成太大压力的折中方案