【TCP/UDP】【TCP保证传输可靠】【TCP拥塞控制实现】

网络协议TCP/UDP

• UDP在传送数据之前不需要先建立连接，远地主机在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。
• 虽然UDP不提供可靠交付，但在某些情况下UDP确是一种最有效的工作方式（一般用于即时通信），比如：QQ语音、QQ视频、直播等等
• TCP提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。
• TCP不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的，面向连接的传输服务（TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制，在数据传完后，还会断开连接用来节约系统资源），这一难以避免增加了许多开销，如确认，流量控制，计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多处理机资源。TCP一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等场景。

TCP协议如何保证传输可靠

1. 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。
2. TCP给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
3. 校验和：TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到端的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
4. TCP的接收端会丢弃重复的数据。
5. 流量控制：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送
   接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的
   速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。（TCP利用滑动窗口实现流量控制）
6. 拥塞控制：当网络拥塞时，减少数据的发送。
7. ARQ协议：也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等
   待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
8. 超时重传：当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

TCP 拥塞控制实现

拥塞控制的算法有：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复四种。

慢开始和拥塞避免

发送方维持一个拥塞窗口的状态变量，其大小取决于网络的拥塞程度，动态地变化，而发送窗口一般取拥塞窗口和对方给出的接收窗口的最小值(为了便于描述，后面的分析中假定对方给出的接收窗口足够大，这样将发送窗口等于拥塞窗口就可以了）。

• 慢开始算法的核心是从小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，从小到大逐渐增大拥塞窗口的数值。通常在刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口设置为一个最大报文段MSS的数值，而在每收到对上一轮报文段(每次加倍后的报文段的个数，可能不止一个报文段）的确认后，就把拥塞窗口的数值加倍。
• 为了防止拥塞窗口增长过大引起网络拥塞，还需要维护一个慢开始门限的状态变量，当拥塞窗口的值小于慢开始门限时，使用慢开始算法，一旦拥塞窗口的值大于慢开始门限的值，就改用拥塞避免算法。
• 拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口缓慢地增大，收到每一轮的确认后，将拥塞窗口的值加
  1，而不是加倍，这样拥塞窗口的值按照线性规律缓慢增长。无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（没有按时收到确认），就把慢开始门限设置为出现拥塞时发送窗口值的一倍，但最小不能小于2个MSS值，而后把拥塞窗口的值重新设置为1个MSS，执行慢开始算法。

快重传和快恢复

快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(重复发送对前面有序部分的确认），而不是等待自己发送数据时才进行稍待确认，也不是累积收到的报文发送累积确认，如果发送方连续收到三个重复确认，就应该立即重传对方未收到的报文段（有收到重复确认，说明后面的报文段都送达了，只有中间丢失的报文段没送达）。

快恢复算法与快重传算法配合使用，其过程有如下两个要点：

• 当发送方连续收到三个重复确认时，就把慢开始门限减半，这是为了预防网络发生拥塞。注意，接下来不执行慢开始算法。
• 由于发送方现在认为网络很很可能没有发生特别严重的阻塞(如果发生了严重阻塞的话，就不会一连有好几个报文段到达接收方，就不会导致接收方连续发送重复确认），因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口的值不设为1个MSSS)，而是把拥塞窗口的值设为慢开始门限减半后的值，而后开始执行拥塞避免算法，线性地增大拥塞窗口。