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[面试∙网络] TCP/IP(五):TCP 协议详解

上一节 中讲过,TCP 协议是面向有连接的协议,它具有丢包重发和流量控制的功能,这是它区别于 UDP 协议最大的特点。本文就主要讨论这两个功能。

数据包重发

数据发送

丢包重发的前提是发送方能够知道接收方是否成功的接收了消息。所以,在 TCP 协议中,接收端会给发送端返回一个通知,也叫作确认应答(ACK),这表示接收方已经收到了数据包。

根据上一节对 TCP 首部的分析得知,ACK 的值和下次发送数据包的序列号相等。因此 ACK 也可以理解为:“发送方,下次你从这个位置开始发送!”。下图表示了数据发送与确认应答的过程:

ACK 确认

数据包和 ACK 应答都有可能丢失,在这种情况下,发送方如果在一段时间内没有收到 ACK,就会重发数据:

未收到 ACK 时重发数据

即使网络连接正常,由于延迟的存在,接收方也有可能收到重复的数据包,因此接收方通过 TCP 首部中的 SYN 判断这个数据包是否曾经接收过。如果已经接收过,就会丢弃这个包。

重传超时时间(RTO)

如果发送方等待一段时间后,还是没有收到 ACK 确认,就会启动超时重传。这个等待的时间被称为重传超时时间(RTO,Retransmission TimeOut)。RTO 的值具体是多久呢?

首先,RTO 的值不是固定的,它是一个动态变化的时间。这个时间总是略大于连接往返时间(RTT,Round Trip Time)。这个设定可以这样理解:“数据发送给对方,再返回到我这里,假设需要 10 秒,那我就等待 12秒,如果超过 12 秒,那估计就是回不来了。”

RTT 是动态变化的,因为谁也不知道网络下一时刻是否拥堵。而当前的 RTO 需要根据未来的 RTT 估算得出。RTO 不能估算太大,否则会多等待太多时间;也不能太小,否则会因为网络突然变慢而将不该重传的数据进行重传。

RTO 有自己的估算公式,可以保证即使 RTT 波动较大,它的变化也不会太剧烈。感兴趣的读者可以自行查阅相关资料。

TCP 窗口

按照之前的理论,在数据包发出后,直至 ACK 确认返回以前,发送端都无法发送数据,而且包的往返时间越长,网络利用效率和通信性能就越低。前两张图片形象的解释了这一点。

为了解决这个问题,TCP 使用了“窗口”这个概念。窗口具有大小,它表示无需等待确认应答就可以继续发送数据包的最大数量。比如窗口大小为 4 时,数据发送的示意图如下:

窗口大小为 4

不等确认就连续发送若干个数据包会不会有问题呢?我们首先来看数据包丢失问题。

我们知道 TCP 首部中的 ACK 字段表示接收方已经收到数据的最后位置。因此,接收方成功接收到了 1-1000 字节的数据后,它会发送一个 ACK = 1001 的确认包。假设 1001-2000 字节的数据包丢失了,由于窗口长度比较大,发送方会继续发送 2001-3000 字节的数据包。接收端并不会返回这个数据包的确认,因为它最后收到的数据还是 1-1000 字节的数据包。

因此,接收端返回的数据包的 ACK 依然是 1001。这表示:“喂,发数据的,别往后发了,你第 1001 字节开始的数据还没来呢”。可以想见,发送端以后每次发送数据包得到的确认中,ACK 的值都是 1001。当连续收到三次确认之后,发送方会意识到:“对方还没有接收到数据,这个包需要重传”。

因此,引入窗口的概念后,被发送的数据不能立刻丢弃,需要缓存起来以备将来需要重发。

利用窗口发送数据的过程可以用下图表示:

快速重传

如果是数据包没有丢失,但是确认包丢失了呢?这就是窗口最擅长处理的问题了。假设发送发收到的确认包中的 ACK 第一次是 1001,第二次是 4001。那么我们完全可以相信中间的两个包是成功被接收的。因为如果有没接收到的包,接收方是不会增加 ACK 的。

在这种情况下,如果不使用窗口,发送方就需要重传第二、三个数据包,但是有了窗口的概念后,发送方就省略了两次重传。因此使用窗口实际上可以理解为“空间换时间”。

某些确认包丢失时不用重发

流量控制

窗口大小

如果窗口过大,会导致接收方的缓存区数据溢出。这时候本该被接收的数据反而丢弃了,就会导致无意义的重传。因此,窗口大小是一个可以改变的值,它由接收端主机控制,附加在 TCP 首部的“窗口大小”字段中。

慢启动

在连接建立的初期,如果窗口比较大,发送方可能会突然发送大量数据,导致网络瘫痪。因此,在通信一开始时,TCP 会通过慢启动算法得出窗口的大小,对发送数据量进行控制。

流量控制是由发送方和接收方共同控制的。刚刚我们介绍了接收方会把自己能够承受的最大窗口长度写在 TCP 首部中,实际上在发送方这里,也存在流量控制,它叫拥塞窗口。TCP 协议中的窗口是指发送方窗口和接收方窗口的较小值。

慢启动过程如下:

  1. 通信开始时,发送方的拥塞窗口大小为 1。每收到一个 ACK 确认后,拥塞窗口翻倍。
  2. 由于指数级增长非常快,很快地,就会出现确认包超时。
  3. 此时设置一个“慢启动阈值”,它的值是当前拥塞窗口大小的一半。
  4. 同时将拥塞窗口大小设置为 1,重新进入慢启动过程。
  5. 由于现在“慢启动阈值”已经存在,当拥塞窗口大小达到阈值时,不再翻倍,而是线性增加。
  6. 随着窗口大小不断增加,可能收到三次重复确认应答,进入“快速重发”阶段。
  7. 这时候,TCP 将“慢启动阈值”设置为当前拥塞窗口大小的一半,再将拥塞窗口大小设置成阈值大小(也有说加 3)。
  8. 拥塞窗口又会线性增加,直至下一次出现三次重复确认应答或超时。

以上过程可以用下图概括:

窗口大小变化示意图

强烈建议读者对照上述八个步骤理解这幅图!

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