你知道TCP的重传机制、滑动窗口、流量控制、拥塞控制吗？

你知道TCP的重传机制、滑动窗口、流量控制、拥塞控制吗？

TCP的四大机制

• 一、重传机制
• • 超时重传
  • • TCP以下两种情况会发生超时重传
    • 超时时间的设置
    • 连续发生超时重传
  • 快速重传
  • • SACK
    • Duplicate SACK
    • • D-SACK的好处
• 二、滑动窗口
• • 累计应答模式
  • 窗口大小决定方
  • 发送方的窗口
  • 接收方的窗口
• 三、流量控制
• • *** 作系统缓冲区与滑动窗口的关系
  • 窗口关闭
  • • 窗口关闭存在的问题
    • • 死锁
      • • 窗口探测
      • 糊涂窗口综合症
      • • 避免小窗口通知
        • • 接收方策略
          • 发送方策略
• 四、拥塞控制
• • 拥塞窗口
  • 拥塞控制算法
  • • 慢启动
  • 拥塞避免算法
  • 拥塞发生算法
  • • 发生超时重传的拥塞发生算法
    • 发生快速重传的拥塞发生算法
    • 快速恢复
• 五、TCP延迟确认

一、重传机制

TCP针对数据包丢失的情况，会用重传机制解决。

超时重传

超时重传：就是在发送数据时，设定⼀个定时器，当超过指定的时间后，没有收到对方的ACK确认应答报文，就会重发该数据。

TCP以下两种情况会发生超时重传

• 数据包丢失
• ACK应答报文丢失

超时时间的设置

RTT：包的往返时间。
超时重传时间是以RTO （Retransmission Timeout 超时重传时间）表示。

• 当超时时间 RTO 较大时，重发就慢，丢了老半天才重发，没有效率，性能差
• 当超时时间RTO较小时，会导致可能并没有丢就重发，于是重发的就快，会增加网络拥塞，导致更多的超时，更多的超时导致更多的重发。

超时重传时间RTO的值应该略大于报文往返RTT的值。
但是实际上，网络是波动的，所以RTT也是在变化的，那么也意味着RTO也应该是动态变化的。为此TCP通过采用数据进行处理

• 采样RTT的时间，加权平均，算出一个平滑的RTT的值，这个值也在不断变化
• 采样RTT的波动范围。

连续发生超时重传

如果超时重发的数据，再次超时的时候，⼜需要重传的时候，TCP的策略是超时间隔加倍。 也就是每当遇到⼀次超时重传的时候，都会将下⼀次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁反复发送。

快速重传

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

SACK

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发送方，这样发送方就可以知道哪些数据收到了，哪些数据没收到，知道了这些信息，就可以只重传丢失的数据。

如果要支持SACK ，必须双⽅都要支持。在 Linux 下，可以通过 net.ipv4.tcp_sack参数打开这个功能（Linux 2.4 后默认打开）。

Duplicate SACK

Duplicate SACK称D-SACK ，其主要使用了SACK来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。

D-SACK的好处

• 可以方发送方知道，是发出的包丢了，还是接受方回应的ACK的包丢了
• 可以知道发送方的数据包被网络延迟了
• 可以知道网络中是不是把发送方的数据包给复制了

在 Linux 下可以通过 net.ipv4.tcp_dsack 参数开启/关闭这个功能（Linux 2.4 后默认打开）

二、滑动窗口

数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。那么有了窗口，就可以指定窗口大小，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。

累计应答模式

假设窗口大小为3个TCP 段，那么发送方就可以连续发送3个TCP段，并且中途若有ACK丢失，可以通过下⼀个确认应答进行确认。

图中即使ACK 600丢失了也没关系，因为可以通过下⼀个确认应答进行确认，只要发送方收到了ACK 700 确认应答，就意味着 700 之前的所有数据接收方都收到了。这个模式就叫累计确认或者累计应答。

窗口大小决定方

TCP头里有⼀个字段叫Window ，也就是窗口大小。
这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。
所以，通常窗口的大小是由接收方的窗口大小来决定的。 发送方发送的数据大小不能超过接收方的窗口大小，否则接收方就无法正常接收到数据。

发送方的窗口

接收方的窗口

三、流量控制

流量控制主要是通过对窗口的大小的控制实现的。

*** 作系统缓冲区与滑动窗口的关系

假定了发送窗口和接收窗口是不变的，但是实际上，发送窗口和接收窗口中所存放的字节数，都是放在 *** 作系统内存缓冲区中的，而 *** 作系统的缓冲区，会被 *** 作系统调整。
TCP规定是不允许同时减少缓存又收缩窗口的，而是采用先收缩窗口，过段时间再减少缓存，这样就可以避免了丢包情况。

窗口关闭

TCP 通过让接收方指明希望从发送方接收的数据大小（窗口大小）来进行流量控制。 如果窗口大小为 0 时，就会阻止发送方给接收方传递数据，直到窗口变为非 0 为止，这就是窗口关闭。

窗口关闭存在的问题 死锁

当发生窗口关闭时，接收方处理完数据后，会向发送方通告⼀个窗口非0的ACK报文，如果这个通告窗口的ACK报文在网络中丢失了，那麻烦就大了。这会导致发送方⼀直等待接收方的非0窗口通知，接收方也⼀直等待发送方的数据，如不采取措施，这种相互等待的过程，会造成了死锁的现象。

窗口探测

为了解决这个问题，TCP为每个连接设有⼀个持续定时器，只要TCP连接一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。 如果持续计时器超时，就会发送窗⼝探测 ( Window probe ) 报文，而对方在确认这个探测报文时，给出自己现在的接收窗口大小。

• 如果接收窗口仍然为0，那么收到这个报文的一方就会重新启动持续计时器
• 如果接收窗口不是0，那么死锁的局⾯就可以被打破了

窗口探测的次数⼀般为3次，每次大约 30-60 秒（不同的实现可能会不⼀样）。如果3次过后接收窗口还是0的话，有的 TCP 实现就会发 RST 报文来中断连接。这些窗口探测报文以 3.4s、6.5s、13.5s 的间隔出现，说明超时时间会翻倍递增。

糊涂窗口综合症

如果接收方太忙了，来不及取走接收窗口里的数据，那么就会导致发送方的发送窗口越来越小。 到最后，如果接收方腾出几个字节并告诉发送方现在有几个字节的窗口，而发送方会义无反顾地发送这几个字节， 这就是糊涂窗口综合症。
要知道，我们的TCP + IP头有40个字节，为了传输那几个字节的数据，要达上这么⼤的开销，这太不经济了。

避免小窗口通知 接收方策略

当窗口大小于min( MSS，缓存空间/2 ) ，也就是小于MSS与1/2缓存中的最小值时，就会向发送方通告窗口为0 ，也就阻止了发送方再发数据过来。等到接收方处理了⼀些数据后，窗口大小 >= MSS，或者接收方缓存空间有⼀半可以使用，就可以把窗口打开让发送方发送数据过来。

发送方策略

Nagle算法：延时处理

• 等到窗口大小 >= MSS 或者数据大小 >= MSS
• 没有已发送未确认报文时，立刻发送数据

只要没满足上面条件中的⼀条，发送方⼀直在囤积数据，直到满足上面的发送条件。

四、拥塞控制

在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时TCP就会重传数据，但是⼀重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进⼊恶性循环被不断地放大…所以，TCP不能忽略网络上发生的事，它被设计成⼀个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP会自我牺牲，降低发送的数据量。 于是，就有了拥塞控制，控制的目的就是避免发送方的数据填满整个网络。

拥塞窗口

拥塞窗口（cwnd）是发送方维护的⼀个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。 我们在前面提到过发送窗口（swnd） 和接收窗口（rwnd） 是约等于的关系，那么由于加入了拥塞窗口的概念后，此 时发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。
拥塞窗口cwnd变化的规则：

• 只要网络中没有出现拥塞， cwnd就会增大
• 但网络中出现了拥塞， cwnd就减少

网络是否拥塞 ：只要发送方没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文，也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞。

拥塞控制算法 慢启动

慢启动的算法记住⼀个规则就行：当发送方每收到⼀个ACK，拥塞窗口 cwnd的大下就会加1。
可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长
那慢启动涨到什么时候是个头呢？
有⼀个叫慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）状态变量。

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法。
• 当 cwnd >= ssthresh 时，就会使用拥塞避免算法

⼀般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节。

拥塞避免算法

进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到⼀个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd。我们可以发现，拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增栈变成了线性增栈，还是增长阶段，但是增长速度缓慢了⼀些。 就这么⼀直增⻓着后，网络就会慢慢进⼊了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需要对丢失的数据包进行重传。 当触发了重传机制，也就进入了拥塞发生算法。

拥塞发生算法 发生超时重传的拥塞发生算法

• ssthresh设为cwnd/2
• cwnd重置为1

发生快速重传的拥塞发生算法

• cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的⼀半;
• ssthresh = cwnd，进⼊快速恢复算法

快速恢复

• 拥塞窗口cwnd = ssthresh + 3 （ 3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了)
• 重传丢失的数据包
• 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1
• 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第⼀步中的 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，也即再次进入拥塞避免状态

五、TCP延迟确认

为了解决 ACK 传输效率低问题，所以就衍⽣出了 TCP 延迟确认
TCP延迟确认的策略

• 当有响应数据要发送时，ACK 会随着响应数据⼀起⽴刻发送给对方
• 当没有响应数据要发送时，ACK 将会延迟⼀段时间，以等待是否有响应数据可以⼀起发送
• 如果在延迟等待发送 ACK期间，对方的第⼆个数据报文又到达了，这时就会立刻发送ACK
• TCP延迟确认可以在 Socket 设置 TCP_QUICKACK 选项来关闭这个算法

当TCP 延迟确认和Nagle算法混合使用时，会导致时耗增长
要解决这个问题，只有两个办法

• 要不发送方关闭Nagle算法
• 要不接收方关闭TCP延迟确认