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。

可靠传输

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。

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。

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。

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。

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。

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。

流量控制

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。

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

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。

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。

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)。

快速恢复:当网络拥塞,ssthresh减为拥塞峰值的一半时,拥塞窗口给(cwmd)不恢复到初始值,直接从ssthresh减半后的阈值1200开始,再加法增大。

这四个算法形成了TCP的拥塞控制,初始发送请求使用慢开始,线性增长阈值后,开启加法增大到拥塞窗口的值后,减法减小将阈值减小为拥塞窗口的一半,如果此时再使用慢开始从初始值开始,发送数据会比较小,快速恢复在从图标5处,直接从阈值开始,增加发送窗口数据。

TCP协议通过可靠传输、流量控制、拥塞控制保障数据的完整、网络的顺畅。TCP还有一个非常重要的属性,连接管理,它是如何建立连接和断开连接呢?敬请期待我下一篇文章~

以上就是关于 TCP如何实现可靠传输、流量控制、拥塞控制的内容 , 更多有关 前端网络协议的内容可以参考我其它的博文,持续更新中~


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