TCP

1. 点对点：

• 一个发送方，一个接收方

2. 可靠的、按序的字节流
3. 流水线机制：

• TCP拥塞控制和流量控制机制， 动态调整窗口尺寸

4. 发送方/接收方缓存

   
   TCP发送方/接收方缓存.png
   

   （和SR略有相似）

5. 全双工：

• 同一连接中能够传输双向数据流

6. 面向连接：

• 通信双方在发送数据之前必须建立连接
• 连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不能维护状态（中间的路由器之类的并不维护这种连接的状态）
• TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等

7. 流量控制机制

TCP段结构

TCP段结构.png

TCP：序列号和ACK

序列号：

• 序列号指的是segment中第一个字节的编号，而不是segment的编号
• 建立TCP连接时，双方随机选择序列号

ACKs：

• 希望接收到的下一个字节的序列号
• 累计确认：该序列号之前的所有字节均已被正确接收到（和GBN类似）

处理乱序到达的segment：

• TCP规范中并没有规定，由TCP的实现者做出决策

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TCP的可靠数据传输

• TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务

• TCP使用了流水线机制

• TCP使用了累计确认机制

• TCP使用单一重传定时器

• 触发重传的事件：1. 超时 2.收到重复ACK

• 渐进式：1.暂不考虑重复ACK 2.暂不考虑流量控制 3.赞不考虑拥塞控制

TCP RTT和超时

设置定时器的超时时间时，考虑RTT的大小，需大于RTT。如果过短，则会进行不必要的重传；如果过长，又会对段丢失时间反应慢。
则需要估计RTT：

• SampleRTT：测量从段发出去到收到ACK的时间：忽略重传

• 测量多个SampleRTT，求平均值，形成RTT的估计值EstimatedRTT

  
  RTT估计值
  

  每次测量一次SampleRTT，就用该公式更新一下现有的EstimatedRTT。

定时器超时时间的设置：

• EstimatedRTT + “安全边界”
• EstimatedRTT变化大——说明需要较大的边界

安全边界的确定：

• 测量RTT的变化值：SampleRTT和EstimatedRTT的差值

  
  RTT的变化值.png

则定时器超时时间的设置：

定时器超时时间的设置.png

TCP发送方事件

从应用层收到数据：

• 创建segment
• 序列号是segment第一个字节的编号
• 开启计时器
• 设置超时时间：TimeOutInterval

超时：

• 重传引起超时的segment
• 重启定时器

收到ACK：
如果确认此前未确认的segment：

• 更新SendBase
• 如果窗口中还有未被确认的分组，重新启动定时器

TCP重传示例

TCP重传示例(a).png

在(a)例中，ACK丢失，引起超时重传，重新传送seq92.

TCP重传示例(b).png

在(b)例中，超时时间设置过短，则ACK=100在超时时间内并未被收到，因此重传seq=92。接着又陆续收到ACK=100,ACK=120,因此陆续更新sendbase=100, sendbase=120。此时接收方又收到了seq=92，而之前接收方已经发送过ACK=120,故此时再发送一个ACK=120。

TCP重传示例(c).png

在(c)例中，ACK=100没有被收到，但是接收方并不知道，接收方已经正确的接收了seq=
92，则seq=100是按序收到的，于是接收方继续发送ACK=120。此时发送方收到120，则确认此前未确认的segment，并将sendbase更新为120。

TCP ACK的生成：

接收方：

1. 收到一个按序的段，有个延迟ACK的动作，等待最多500ms，如果没有下一个段，就发送ACK
2. 如果一个按序的段到了，并且之前有段在等待，则立即发送累计ACK，确认这两个段
3. 如果一个乱序的段到了，立即发送重复ACK

快速重传机制

为什么要快速重传？ TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔将重新设置，即将超时时间间隔加倍，导致其很大

• 重发丢失的分组之前要等待很长时间

可以通过重复ACK检测分组丢失：

• sender会背靠背地发送多个分组
• 如果某个分组丢失，可能会引发多个重复的ACK

如果sender收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失

• 快速重传：在定时器超时之前即进行重传

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TCP流量控制

接收方为TCP连接分配buffer：

接收方buffer.png

流量控制：控制发送方不会传输太多、太快以至于淹没接收方（buffer溢出），实际上是一个速度匹配机制

假定：TCP receiver丢弃乱序的segments
则如上图所示，buffer中的可用空间（spare room）= RcvWindow = RcvBuffer - [LastByteRcvd - LastByteRead]

• recevier通过在segment的头部字段将RcvWindow告诉sender

• sender限制自己已经发送的但还未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸

• 如果recevier告知sender RcvWindow=0,则还是允许sender发送一个非常小的segment，以重新返回RcvWindow的大小。

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TCP连接管理

TCP的sender和receiver在传输数据前需要建立连接
初始化TCP变量

• seq.#
• buffer和流量控制信息

Client：连接发起者

Socket clientSocket = new Socket("hostname", "port number");

Server：等待客户连接请求

Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept( );

三次握手（非常重要）：

1. 客户机发送TCP SYN段给服务器，无数据
2. 服务器接收SYN，回复SYNACK段给客户机，此时分配buffer给它

3. 客户机接收SYNACK，回复它一个ACK段

   
   三次握手.png

四次挥手（非常重要）：

TCP连接关闭：

client closes socket: clientSocket.close( );

四次挥手.png

1. 客户机向服务器发送TCP FIN控制segment
2. 服务器收到FIN，回复ACK，关闭连接，发送FIN
3. 客户机收到FIN，回复ACK

• 进入等待：如果又收到FIN， 则会重新发送ACK

4. 服务器收到ACK，连接关闭。

TCP客户机生命周期.png TCP服务器生命周期.png