流量控制

概念

流量控制：控制发送方发送速率不要太快，使自己能够接收

滑动窗口机制

1）使用类似于选择重传协议的规则进行传输

2）接受方回复包含三条“ACK”为 1 表示正确接收，“ack”表示在当前位置之前的数据都正确接收，“rwnd”表示调节发送方的发送窗口大小为该值

3）当发送方收的接收方的“rwnd”为 0 时，启动持续计时器，每超时一次则向接受窗口发送一次零窗口探测报文

拥塞控制

概念

对某一网络资源需求超过了所能提供的部分，网络性能就会下降

拥塞控制算法

慢开始

1.拥塞窗口（cwnd）：

1）值取决于网络的拥塞程度，动态变化，发送窗口（swnd）= 拥塞窗口（cwnd）

2）只要没有出现拥塞，cwnd 就增大一倍，出现拥塞就减小一些

2.判断拥塞：是否出现超时重传

3.慢开始门限（ssthresh）：

1）当$ cwnd<ssthresh $时，使用慢开始算法

2）当$ cwnd>ssthresh $时，停止慢开始算法，使用拥塞避免算法

3）当$ cwnd=ssthresh $时，既可以使用慢开始算法，又可以使用拥塞避免算法

注意：“慢开始”是指一开始向网络注入的报文段少，并不是指 cwnd 增长速度慢

拥塞避免

1）拥塞避免算法生效时，cwnd每次增加 1

2）网络出现拥塞时，将 ssthresh 更新为 cwnd 的一半，将 cwnd 值减小为 1，开始执行慢开始算法

注意：“拥塞避免”不能完全避免拥塞，而是将 cwnd 控制为线性增长，出现拥塞时降低传输能力

快重传

个别报文段丢失时，实际网络未发生拥塞，导致发送方误认为发生了拥塞，启动慢开始算法，降低了传输效率

快重传是不等“超时重传计时器”超时时再重传，另发送方提前重传

原理：

1）接收方不等自己发送数据时才捎带确认，而是立即发送确认

2）收到了失序的报文段也要继续发送之前的确认，进行重复确认

3）当发送方收到了3个连续的重复确认，就会立即重传

快恢复

当执行完快重传算法后，执行快恢复算法而不是慢开始算法

快恢复：将 ssthresh 与 cwnd 调整为原来的一半，开始执行拥塞避免算法

图像

超时重传时间选择

计算公式

$ RTT_s $：加权平均往返时间

1）第一个$ RTT_{s1}=RTT_1 $

2）$ 新RTT_{s}=(1-\alpha)\times旧RTT_s+\alpha\times新RTT样本 $

$ 0\le \alpha<1 $，标准推荐$ \alpha=\frac{1}{8} $

$ RTT_d $：RTT偏差的加权平均时间

1）第一个$ RTT_{D1}=\frac{RTT_1}{2} $

2）$ 新RTT_D=(1-\beta)\times旧RTT_D+\beta\times|RTT_s-新RTT样本| $

$ 0\le\beta<1 $，标准推荐$ \beta=\frac{1}{4} $

$ RTO $：超时重传时间

$ RTO=RTT_s+4\times RTT_D $

超时数据包的时间测量

超时重传的时间直接丢弃，不记录。并把 RTO 增大一些，如变为原来的两倍

首部格式

1）源端口号与目的端口号：发送方进程与接收方进程的端口号

2）序号：占 32 bit，指本 TCP 报文段数据载荷中的第一个字节位于总数据的字节序号，序号增加到最后一个后，下一个序号又回到零。

3）确认号：占 32 bit ，指出期望收到对方下一个 TCP 报文段的数据载荷的第一个字节的序号，同时也是对之前收到的所有数据的确认。序号增加到最后一个后，下一个序号又回到零。

4）数据偏移：占 4 bit，以 4 字节为单位。指出 TCP 报文的数据载荷部分距离 TCP 报文段的起始处有多远。因为首部固定 20 字节，扩展最多 40 字节，所以范围为$ [(0101)_2,(1111)_2] $

5）保留：占 6 bit，保留今后使用，目前全部置为 0

6）紧急标志位 URG ：取值为 1 时，“紧急指针”部分生效

7）确认标志位 ACK：取值为 1 时，确认号字段生效，建立连接后所有的TCP报文段必须将 ACK 置为 1

8）推送标志位 PSH：接收方的 TCP 收到 PSH 为 1 的报文段后会尽快上交应用，不用等缓存填满再上交

9）复位标志位 RST：复位 TCP 连接。当 RST 为 1 时，表明 TCP 连接出现了异常，必须释放连接，然后再重新建立连接。RST 置 1 还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个 TCP 连接

10）同步标志位 SYN：在建立 TCP 连接时用来同步序号，为 1 时不能携带数据，但要消耗一个序号

11）终止标志位 FIN：用来释放 TCP 连接

12）窗口：占 16 bit，以字节为单位。指出发送本报文段的一方的接收窗口。作为接收方让发送方设置发送窗口的依据，用于流量控制

13）校验和：占 16 bit，用于校验是否出现误码

14）紧急指针：占 16 bit，以字节为单位，指明紧急数据的长度。紧急数据之后是普通数据。（发送方有紧急数据时，将紧急数据插队到发送缓存的最前面，立刻封装一个 TCP 报文段发送。）

15）选项：可以附加其他信息，如窗口扩大选项、时间戳选项等

16）填充：由于选项长度可变，填充为了确保 TCP 首部的字节长度是 4 的倍数

TCP连接

TCP分为以下三个阶段

1）建立 TCP 连接

2）数据传送

3）释放 TCP 连接

连接建立——三次握手

seq 与 ack

1）无论发送方还是接收方 seq 初始状态都是随机序列，往后每发送 x 字节的数据就加 x

2）ask每次都是对方上次发送的seq+1

TCP 规定 SYN 为 1 时不能携带数据，但要消耗一个序号。普通报文若不携带数据则不用消耗序号

三次握手过程

1.服务端处于监听状态

2.第一次握手：

1）客户端发送建立连接请求，将 SYN 置为 1 表示请求建立连接

2）seq 为客户端随机生成的序列号

3.第二次握手：

1）服务器发送确认消息并向客户端建立连接，将 SYN 置为 1 表示请求建立连接

2）将 ACK 置为 1 表示接收到了上一个请求

3）seq 为服务端随机生成的序列号，假设为 y

4）ask 为之前客户端seq +1 即为 x+1

4.第三次握手：

1）客户端发送确认消息，ACK 置为 1 表示确认收到建立请求的消息

2）seq 为第一次握手的 seq +1 即为 x+1

3）ack 为第二次握手服务器端的 seq +1 即为 y+1

连接释放——四次挥手

1.第一次挥手：

1）客户端发送释放连接请求，FIN 置为 1 表示这是一个释放连接请求

2）ACK 置为 1 表示对上一个 TCP 报文段的确认

3）seq：TCP 客户端进程已传送的数据的最后一个字节的序号+1，假设为 u

4）ask：TCP 客户进程已收到的数据的最后一个字节的序号+1，假设为 v

2.第二次挥手：

1）服务端发送确认消息，ACK 置为 1 表示这是一个确认消息

2）seq：TCP 服务器进程已传送过的数据的最后一个字节的序号+1，即为 v

3）ask：为客户端第一次挥手的seq+1，即为 u+1

注意：此时处于半关闭的状态，如果服务器端还要发送数据，客户端仍要接收

3.第三次挥手：

1）服务端发送剩余数据后，发送释放连接请求，FIN 置为 1 表示这是一个释放连接请求

2）ACK 置为 1 表示对之前消息的去人

3）seq：会增加是因为半关闭状态下服务器又传输了一些数据，假设为 w

4）ask：为客户端第一次挥手的seq+1，仍未 u+1

4.第四次挥手：

1）客户端发送确认消息，ACK置为 1 表示这是一个确认请求

2）seq：设置为u+1

3）ask：设置为 w+1

注意：客户端发送第四次挥手后还要等待 2 倍的 MSL 才会关闭连接，等待时间是为了防止第四次挥手丢失，导致服务端反复重传第三次握手

保活计时器

1）TCP 服务器进程每收到一次 TCP 客户进程的数据，就重新设置并启动保活计时器（2小时定时）

2）若保活计时器超时，TCP 服务器每个 75 秒就会发送一次探测报文段，若连续发送 10 个探测报文段后客户端仍没有响应，则认为客户端发生了故障，就会关闭连接