理解网络--Tcp重传，Tcp滑动窗口，流量控制，拥塞控制-北京尧图网络

1.重传机制接下来说说常见的重传机制超时重传快速重传SACKD-SACK1.1.超时重传重传机制的其中一个方式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也就是我们常说的超时重传。TCP会在以下两种情况发生超时重传数据包丢失确认应答丢失超时时间应该设置为多少呢我们先来了解一下什么是RTTRound-Trip Time往返时延从下图我们就可以知道RTT指的是数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值也就是包的往返时间。超时重传时间是以RTORetransmission Timeout超时重传时间表示。假设在重传的情况下超时时间RTO「较长或较短」时会发生什么事情呢当超时时间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。实际上「报文往返RTT的值」是经常变化的因为我们的网络也是时常变化的。也就因为「报文往返RTT的值」是经常波动变化的所以「超时重传时间RTO的值」应该是一个动态变化的值。估计往返时间通常需要采样以下两个需要TCP通过采样RTT的时间然后进行加权平均算出一个平滑RTT的值而且这个值还是要不断变化的因为网络状况不断地变化。除了采样 RTT还要采样 RTT 的波动范围。RFC6289建议使用以下的公式计算RTO在Linux下α 0.125β 0.25 μ 1∂ 4。别问怎么来的问就是大量实验中调出来的。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。1.2.快速重传TCP还有另外一种快速重传Fast Retransmit机制它不以时间为驱动而是以数据驱动重传。所以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。快速重传机制只解决了一个问题就是超时时间的问题但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候是重传一个还是重传所有的问题。为了解决不知道该重传哪些TCP报文于是就有SACK方法。1.3.SACK 方法这种方式需要在TCP头部「选项」字段里加一个SACK的东西它可以将已收到的数据的信息发送给「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。1.4.Duplicate SACKDuplicate SACK又称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。这里SACK是DACK的意思。发送方收到SACK后可以知道3000~3499的报文成功送达引发重传的原因是ACK丢失造成的。通过DACK发送端可以知道收到包的原因是此前10001499包延迟抵达引起的。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。2.滑动窗口窗口大小由哪一方决定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。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。发送方的滑动窗口我们先来看看发送方的窗口下图就是发送方缓存的数据根据处理的情况分成四个部分其中深蓝色方框是发送窗口紫色方框是可用窗口在下图当发送方把数据「全部」都一下发送出去后可用窗口的大小就为0了表明可用窗口耗尽在没收到ACK确认之前是无法继续发送数据了。在下图当收到之前发送的数据32~36字节的ACK确认应答后如果发送窗口的大小没有变化则滑动窗口往右边移动5个字节因为有5个字节的数据被应答确认接下来52~56字节又变成了可用窗口那么后续也就可以发送52~56这5个字节的数据了。接收方的滑动窗口四个区域的详细说明假设当前接收缓存大小为10KBLastByteAcked 1000rwnd 3000则窗口右边界为4000。窗口滑动动态变化机制应用程序读取数据时区域2缩小LastByteRead向右移动 → 区域1扩大区域2缩小缓冲区释放出新空间等价于窗口右侧自动扩展。收到新的按序数据时区域 3 缩小LastByteAcked向右移动累积确认推进→ 区域2扩大区域3缩小通告窗口rwnd剩余空间减少。注意如果应用程序读取速度跟不上区域2会持续扩大最终导致rwnd变为0零窗口此时发送方会停止发送并触发持续计时器Persist Timer探测。补充乱序数据的影响实际网络中区域3内部可能包含已到达但非连续的数据碎片乱序包。此时LastByteAcked左边界不会右移因为累积确认不允许跳跃。数据暂存于区域3的特定位置等待缺失的中间字节到来填补空洞后左边界才会一次性大幅右移。接收窗口和发送窗口的大小是相等的吗并不是完全相等接收窗口的大小是约等于发送窗口的大小的。接受方接收窗口大小处于动态变化中接收窗口反馈给对端需要经过网络传输延时。发送窗口接受窗口变迁实例1当发送方可用窗口变为0时发送方实际上会定时发送窗口探测报文以便知道接收方的窗口是否发生了改变。窗口关闭如果窗口大小为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。窗口关闭潜在的危险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如果没有其他补救措施发送方后续无法继续发送新数据。TCP 是如何解决窗口关闭时潜在的死锁现象呢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。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。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。于是要解决糊涂窗口综合症就要同时解决上面两个问题就可以了让接收方不通告小窗口给发送方让发送方避免发送小数据怎么让接收方不通告小窗口呢接收方通常的策略如下:当「窗口大小」小于min(MSS缓存空间/2 ) 也就是小于MSS与1/2缓存大小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。怎么让发送方避免发送小数据呢发送方通常的策略如下:使用Nagle算法该算法的思路是延时处理只有满足下面两个条件中的任意一个条件才可以发送数据条件一要等到窗口大小 MSS并且数据大小 MSS条件二收到之前发送数据的ack回包Nagle伪代码如下接收方得满足「不通告小窗口给发送方」发送方开启Nagle算法才能避免糊涂窗口综合症。另外Nagle算法默认是打开的如果对于一些需要小数据包交互的场景的程序或延时敏感场景则需要关闭Nagle算法。可以在Socket设置TCP_NODELAY选项来关闭这个算法。延迟确认事实上当没有携带数据的ACK它的网络效率也是很低的因为它也有40个字节的IP头和TCP头但却没有携带数据报文。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ACKTCP延迟确认可以在Socket设置TCP_QUICKACK选项来关闭这个算法。3.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…什么是拥塞窗口和发送窗口有什么关系呢拥塞窗口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。swnd min(cwnd, rwnd)。那么怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢其实只要「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。拥塞控制有哪些控制算法慢启动拥塞避免拥塞发生快速恢复3.1.慢启动TCP在刚建立连接完成后首先是有个慢启动的过程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的大小就会加1。这里假定拥塞窗口cwnd和发送窗口swnd相等下面举个栗子连接建立完成后一开始初始化cwnd 1表示可以传一个MSS大小的数据。当收到一个ACK确认应答后cwnd增加1于是一次能够发送2个当收到2个的ACK确认应答后cwnd增加2于是就可以比之前多发2个所以这一次能够发送4个当这4个的ACK确认到来的时候每个确认cwnd增加14个确认cwnd增加4于是就可以比之前多发4个所以这一次能够发送8个。那慢启动涨到什么时候是个头呢有一个叫慢启动门限ssthreshslow 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」。3.2.拥塞避免算法当拥塞窗口cwnd「超过」慢启动门限ssthresh就会进入拥塞避免算法。一般来说ssthresh的大小是65535字节。那么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。现假定ssthresh为8当8个ACK应答确认到来时每个确认增加1/88个ACK确认cwnd一共增加1于是这一次能够发送9个MSS大小的数据变成了线性增长。就这么一直增长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」。3.3.拥塞发生当网络出现拥塞也就是会发生数据包重传重传机制主要有两种超时重传快速重传这两种使用的拥塞发送算法是不同的接下来分别来说说。发生超时重传的拥塞发生算法这个时候ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化ssthresh 设为 cwnd/2cwnd 重置为 1 是恢复为 cwnd 初始化值我这里假定 cwnd 初始化值 1发生快速重传的拥塞发生算法TCP 认为这种情况不严重因为大部分没丢只丢了一小部分则 ssthresh 和 cwnd 变化如下cwnd cwnd/2 也就是设置为原来的一半;ssthresh cwnd;进入快速恢复算法3.4.快速恢复进入快速恢复算法如下拥塞窗口 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 的值再次进入拥塞避免状态

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