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滑动窗口,拥塞控制,快重传

简述TCP协议的滑动窗口

一、流量控制

1.什么是流量控制

Sender won’t overflow receiver’s buffer by transmitting too much, too fast. (防止发送方发的太快,耗尽接收方的资源,从而使接收方来不及处理)

2.流量控制的一些知识点

(1)接收端抑制发送端的依据:接收端缓冲区的大小

(2)流量控制的目标是接收端,是怕接收端来不及处理

(3)流量控制的机制是丢包

3.怎么样实现流量控制?

使用滑动窗口 滑动窗口 1.滑动窗口是什么? 滑动窗口是类似于一个窗口一样的东西,是用来告诉发送端可以发送数据的大小或者说是窗口标记了接收端缓冲区的大小,这样就可以实现 ps:窗口指的是一次批量的发送多少数据

2.为什么会出现滑动窗口?

在确认应答策略中,对每一个发送的数据段,都要给一个ACK确认应答,收到ACK后再发送下一个数据段,这样做有一个比较大的缺点,就是性能比较差,尤其是数据往返的时间长的时候

使用滑动窗口,就可以一次发送多条数据,从而就提高了性能

3.滑动窗口的一些知识点

(1)接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入TCP首部中的“窗口大小”字段,通过ACK来通知发送端

(2)窗口大小字段越大,说明网络的吞吐率越高

(3)窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值,即就是说不需要接收端的应答,可以一次连续的发送数据

(4)操作系统内核为了维护滑动窗口,需要开辟发送缓冲区,来记录当前还有那些数据没有应答,只有确认应答过的数据,才能从缓冲区删掉

ps:发送缓冲区如果太大,就会有空间开销

(5)接收端一旦发现自己的缓冲区快满了,就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端,发送端收到这个值后,就会减慢自己的发送速度

(6)如果接收端发现自己的缓冲区满了,就会将窗口的大小设置为0,此时发送端将不再发送数据,但是需要定期发送一个窗口探测数据段,使接收端把窗口大小告诉发送端

ps:在TCP的首部中,有一个16为窗口字段,此字段就是用来存放窗口大小信息的

 

4.滑动窗口的优点

可以高效可靠的发送大量的数据

滑动窗口中的数据类型:1已发送,但是还没收到确认的2.可以发送,但是还没发送的

滑动窗口是传输层进行流量控制的一种措施,接收方通过通告发 送方自己的窗口大小,从而控制发送方的发送速度,防止发送方发送速度过快而导致自己被淹没。

 

滑动窗口本质上是描述接受方的TCP数据报缓冲区大小的数据,发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据。如果发送方收到接受方的窗口大小为0的TCP数据报,那么发送方将停止发送数据,等到接受方发送窗口大小不为0的数据报的到来。

关于滑动窗口协议,书上还介绍了三个术语,分别是:

  1. 窗口合拢:当窗口从左边向右边靠近的时候,这种现象发生在数据被发送和确认的时候。
  2. 窗口张开:当窗口的右边沿向右边移动的时候,这种现象发生在接受端处理了数据以后。
  3. 窗口收缩:当窗口的右边沿向左边移动的时候,这种现象不常发生。
  4.  

TCP就是用这个窗口,慢慢的从数据的左边移动到右边,把处于窗口范围内的数据发送出去(但不用发送所有,只是处于窗口内的数据可以发送。)。这就是窗口的意义。图20-6解释了这一点。窗口的大小是可以通过socket来制定的,4096并不是最理想的窗口大小,而16384则可以使吞吐量大大的增加。

滑动窗口原理

TCP并不是每一个报文段都会回复ACK的,可能会对两个报文段发送一个ACK,也可能会对多个报文段发送1个ACK【累计ACK】,比如说发送方有1/2/3 3个报文段,先发送了2,3 两个报文段,但是接收方期望收到1报文段,这个时候2,3报文段就只能放在缓存中等待报文1的空洞被填上,如果报文1,一直不来,报文2/3也将被丢弃,如果报文1来了,那么会发送一个ACK对这3个报文进行一次确认。

举一个例子来说明一下滑动窗口的原理:

  1. 假设32~45 这些数据,是上层Application发送给TCP的,TCP将其分成四个Segment来发往internet

  2. seg1:32~34, seg2: 35~36 ,seg3: 37~41 ; seg4 :42~45 这四个片段,依次发送出去,此时假设接收端之接收到了seg1 seg2 seg4

  3. 此时接收端的行为是回复一个ACK包说明已经接收到了32~36的数据,并seg4进行缓存(保证顺序,产生一个保存seg3 的hole)

  4. 发送端收到ACK之后,就会将32~36的数据包从发送并没有确认切到发送已经确认,移出窗口,这个时候窗口向右移动 在这里插入图片描述

  5. 假设接收端通告的Window Size仍然不变,此时窗口右移,产生一些新的空位,这些是接收端允许发送的范畴

  6. 对于丢失的seg3,如果超过一定时间,TCP就会重新传送(重传机制),重传成功会seg3 seg4一块被确认,不成功,seg4也将被丢弃

就是不断重复着上述的过程,随着窗口不断滑动,将真个数据流发送到接收端,实际上接收端的Window Size通告也是会变化的,接收端根据这个值来确定何时及发送多少数据,从对数据流进行流控。

简述TCP协议的拥塞控制

拥塞是指一个或者多个交换点的数据报超载,TCP又会有重传机制,导致过载。 为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞,还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量.

当cwnd < ssthresh 时,使用慢开始算法。 当cwnd > ssthresh 时,停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。 当cwnd = ssthresh 时,即可使用慢开始算法,也可使用拥塞避免算法。

慢开始:

假设当前发送方拥塞窗口cwnd的值为1,而发送窗口swnd等于拥塞窗口cwnd,因此发送方当前只能发送一个数据报文段(拥塞窗口cwnd的值是几,就能发送几个数据报文段),接收方收到该数据报文段后,给发送方回复一个确认报文段,发送方收到该确认报文后,将拥塞窗口的值变为2,

发送方此时可以连续发送两个数据报文段,接收方收到该数据报文段后,给发送方一次发回2个确认报文段,发送方收到这两个确认报文后,将拥塞窗口的值加2变为4,发送方此时可连续发送4个报文段,接收方收到4个报文段后,给发送方依次回复4个确认报文,发送方收到确认报文后,将拥塞窗口加4,置为8,发送方此时可以连续发送8个数据报文段,接收方收到该8个数据报文段后,给发送方一次发回8个确认报文段,发送方收到这8个确认报文后,将拥塞窗口的值加8变为16,

当前的拥塞窗口cwnd的值已经等于慢开始门限值,之后改用拥塞避免算法。

拥塞避免:

也就是每个传输轮次,拥塞窗口cwnd只能线性加一,而不是像慢开始算法时,每个传输轮次,拥塞窗口cwnd按指数增长。同理,16+1……直至到达24,假设24个报文段在传输过程中丢失4个,接收方只收到20个报文段,给发送方依次回复20个确认报文段,一段时间后,丢失的4个报文段的重传计时器超时了,发送发判断可能出现拥塞,更改cwnd和ssthresh.并重新开始慢开始算法,如图所示:

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快恢复之前的策略:发送方判断网络出现拥塞,就把ssthresh设置为出现拥塞时发送方窗口值的一半,继续执行慢开始,之后进行拥塞避免。

快恢复:发送方判断网络出现拥塞,就把ssthresh设置为出现拥塞时发送方窗口值的一半,并把cwnd设置为ssthresh的一半,之后进行拥塞避免。

 

简述快重传

如果在超时重传定时器溢出之前,接收到连续的三个重复冗余ACK,发送端便知晓哪个报文段在传输过程中丢失了,于是重发该报文段,不需要等待超时重传定时器溢出再发送该报文。

快速重传: 发送方发送1号数据报文段,接收方收到1号报文段后给发送方发回对1号报文段的确认,在1号报文段到达发送方之前,发送方还可以将发送窗口内的2号数据报文段发送出去,接收方收到2号报文段后给发送方发回对2号报文段的确认,在2号报文段到达发送方之前,发送方还可以将发送窗口内的3号数据报文段发送出去,

假设该报文丢失,发送方便不会发送针对该报文的确认报文给发送方,发送方还可以将发送窗口内的4号数据报文段发送出去,接收方收到后,发现这不是按序到达的报文段,因此给发送方发送针对2号报文段的重复确认,表明我现在希望收到的是3号报文段,但是我没有收到3号报文段,而收到了未按序到达的报文段,发送方还可以将发送窗口中的5号报文段发送出去,接收方收到后,发现这不是按序到达的报文段,因此给发送方发送针对2号报文段的重复确认,表明我现在希望收到的是3号报文段,但是我没有收到3号报文段,而收到了未按序到达的报文段,,发送方还可以将发送窗口内的最后一个数据段即6号数据报文段发送出去,接收方收到后,发现这不是按序到达的报文段,因此给发送方发送针对2号报文段的重复确认,表明我现在希望收到的是3号报文段,但是我没有收到3号报文段,而收到了未按序到达的报文段,

此时,发送方收到了累计3个连续的针对2号报文段的重复确认,立即重传3号报文段,接收方收到后,给发送方发回针对6号报文的确认,表明,序号到6为至的报文都收到了,这样就不会造成发送方对3号报文的超时重传,而是提早收到了重传。

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