TCP如何实现可靠传输、流量控制、拥塞控制

作者: 一颗冰淇淋 | 来源:发表于2022-10-30 20:16 被阅读0次

上一篇文章中讲述了TCP首部的存储的数据，这一篇来聊聊这些数据帮助TCP实现一些特性。

TCP传输会保障数据的可靠和完整，如果数据传输过程丢失了，会重新传输。

保障的第一种协议方式是 停止等待ARQ协议，发送一条数据，收到确认消息之后再发送第二条数据，如果等待了一定的时候还没有收到确认消息，则重新发送刚刚那条数据。

2_超时重传.jpeg

此时接收方可能存在相同的数据，那么它会丢弃重复数据，并重传确认的消息。发送方也有可能因为确认消息超过了设定的重传时间，而收到多条确认消息。

3_重传时发送方和接收方表现.jpeg

停止等待ARQ协议简单，但信道的利用率低，每次要等到确认才会发送下一条数据。那有没有办法提升信道的利用率，一次多传些数据呢？

连续ARQ和滑动窗口协议提供了解决方案，在接收方和发送方分别存在缓存区域，数据发送或确认后，窗口滑动到下一片区域。

其中发送缓存暂存发送应用程序传给发送方TCP准备发送的数据及TCP已发送但尚未收到确认的数据，接收缓存暂存按需到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据及未按序到达的数据。

4_缓存区域.jpeg

发送方将多条数据按一定时间间隔发送，接收方确认该次传递数据的最后一条，发送方收到确认的请求之后，窗口滑动到下一批次需要发送请求的范围。

5_连续arp+滑动窗口.jpeg

那么如果在发送过程中存在数据丢失的请求呢，比如M1-M4的数据，其中M3丢失了，此时接收方会发送确认M2的数据，发送方会重新发送M3和M4。

但M4是被接收方正常接收的，无需再重复发送，这时候需要用到选择确认ACK，这部分的数据保存在TCP首部的选项部分，接收方通过它告知发送方，需要重传的内容，比如M3丢失，那么范围值就会少了M3这部分，发送方通过TCP首部得知只需要重传M3。

6_sack数据.png

使用连续ARQ、滑动窗口协议和选择确认ACK保障TCP的可靠传输。

如果接收方的缓存区满了，而发送方仍然不停的发送数据，这样接收方只能将收到的数据包丢掉，这样造成了极大的网络资源浪费，流量控制就是为了避免这样的问题出现。

通过确认报文中TCP首部的窗口属性，来限制发送方的发送速率，数据发送越大，缓存区内可存储的范围越小，那么窗口的大小也会发生变化。

7_滑动窗口进行流量控制.jpeg

如果发送方接收到的窗口大小为0，那么发送方就会停止发送，但它同时会开启一个定时器，隔一段时间就发个测试报文去询问接收方最新的窗口大小，如果接收的窗口大小还是为0，则发送方再次刷新启动定时器，这样当接收方的缓存区有空余时，发送方就可以继续发送数据。

流量控制是点对点通信量的控制，是接收端控制发送端的问题，抑制发送端的发送速率，以便接收端来得及接收。但当网络设备过多，即使限制了每个设备的发送数据大小，仍然可能链路过载，这时候需要一个全局性的通信控制。

拥塞控制，防止过多的数据注入到网络中，避免网络中的路由器或链路过载。实际中的拥塞控制并不会任由吞吐量稳步到达负载的最大值，然后在顶峰保持，而是指数增长到一定值后缓存上升。

因为当负载总量为1000时，最大能达到可能就800、900，当达到300左右就会轻度拥塞（丢包），达到800就会到达拥塞顶部，再持续输出吞吐量降低，如果没有拥塞控制，可能会丢包严重最后死锁。

8_拥塞控制的作用.jpeg

在了解拥塞控制的方法前，首先要知道几个名词

MSS(Maxium segment size) 每个段最大的数据部分大小，建立连接时确认，存在选项属性中，首部共计32字节，发送方和接收方可能不一样，取最小值
cwnd(congestion window) 拥塞窗口，在发送方，根据网络情况而定，比如5000
rwnd(receive window) 接收窗口，在接受方，告诉发送方所有段加起来的总和，比如3000
swnd(send window) 发送窗口，取拥塞窗口和接收窗口的最小值，此时为3000
swnd = min(cwnd, rwnd)

拥塞控制的算法有四种，慢开始(slow start)、拥塞避免(congestion avoidance)、
快速重传(fast retransmit)、快速恢复(fast recovery)。

慢开始：刚开始发的很慢，比如rwnd为3000，mss为100，一次最多可以发30个段，但cwnd不会发这么多，而是从100到200，到400再到800，指数增加。

9_慢开始.jpeg

拥塞避免：拥塞窗口(cwnd)缓慢增大，以免网络过早出现拥塞。

加法增大 --- 慢开始有一个阈值ssthresh(slow start threshold)，比如cwnd为2400，阈值1600，那么当拥塞窗口达到1600以后，就不指数增长，而是以线性增加（每次加一点）
乘法减小 --- 当网络拥塞（发送方发了很多数据但没有收到接收方确认）时，将ssthresh减为拥塞窗口的一半（1200），【与此同时，执行慢开始算法，cwnd恢复初始值（100）】（旧版本）
如果网络频繁拥塞，ssthresh值会下降得很快，因为不断的减半

快速重传：接收方收到错误顺序的数据时，比如m1、m2都成功确认，m3丢失，m4发送成功，此时会重复确认m2、发送方收到三个连续的m2重复确认，立刻重传m3，在此之前使用的是超时重传（等待一定的时间没有收到确认的报文再重传）。