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一刹枉、可靠數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)（IP服務(wù)）是不可靠的微宝。IP不保證數(shù)據(jù)報(bào)的交付蟋软，不保證數(shù)據(jù)報(bào)的按序交付岳守，也不保證數(shù)據(jù)報(bào)中數(shù)據(jù)的完整性湿痢。

TCP則是在IP服務(wù)上創(chuàng)建了一種可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)
TCP的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)確保一個(gè)進(jìn)程從其接收緩存中讀出的數(shù)據(jù)流是無(wú)損壞蒙袍、無(wú)間隔、無(wú)冗余消恍、按序的數(shù)據(jù)流狠怨。即該字節(jié)流與連接的另一端發(fā)出的字節(jié)流是完全相同的佣赖。
作為TCP接收方憎蛤，有三個(gè)與發(fā)送和重傳有關(guān)的主要事件

1、從上層應(yīng)用數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)封裝到一個(gè)報(bào)文段中萎胰，并把報(bào)文段交付給IP技竟。每個(gè)報(bào)文段都包含一個(gè)序號(hào)Seq榔组，即該報(bào)文段第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的字節(jié)流編號(hào)。如果定時(shí)器還沒(méi)有為其他報(bào)文段而運(yùn)行检痰，則啟動(dòng)定時(shí)器(即不是每條報(bào)文段都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器擅编，而是一共只啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器)爱态，定時(shí)器的過(guò)期間隔是TimeoutInterval
是由EstimatedRTT和DevRTT計(jì)算得來(lái)的:TCP的往返時(shí)間的估計(jì)與超時(shí)

2锦担、超時(shí)

TCP通過(guò)重傳引起超時(shí)的報(bào)文段來(lái)響應(yīng)超時(shí)事件洞渔，然后重啟定時(shí)器。

而發(fā)送端超時(shí)有兩種情況：發(fā)送數(shù)據(jù)超時(shí)堤瘤，接收端發(fā)送ACK超時(shí)本辐。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致發(fā)送端在TimeoutInterval內(nèi)接收不到ACK確認(rèn)報(bào)文段慎皱。

• 1茫多、如果是發(fā)送數(shù)據(jù)超時(shí)天揖，直接重傳即可宝剖。
• 2万细、而如果是接收端發(fā)送ACK超時(shí)腰素，這種情況接收端實(shí)際上已經(jīng)接收到發(fā)送端的數(shù)據(jù)了雪营。那么當(dāng)發(fā)送端超時(shí)重傳時(shí)洋访，接收端會(huì)丟棄重傳的數(shù)據(jù)谴餐，同時(shí)再次發(fā)送ACK岂嗓。

而如果在TimeoutInterval后接收到了ACK，會(huì)收下ACK食绿，但不做任何處理

• TCP不會(huì)為沒(méi)有數(shù)據(jù)的ACK超時(shí)重傳

以下兩種情況：

• 1、如果在發(fā)送兩條或多條數(shù)據(jù)報(bào)文段都超時(shí)楼眷，那么只會(huì)重傳序號(hào)最小的那個(gè)摩桶，并重啟定時(shí)器硝清。只要其余報(bào)文段的ACK在新重啟的定時(shí)器超時(shí)前到達(dá)芦拿，就不會(huì)重傳蔗崎。
• 2缓苛、如果發(fā)送序號(hào)為100和120的兩條數(shù)據(jù)報(bào)文段未桥，序號(hào)100的ACK丟失舌菜，但收到了序號(hào)120的ACK日月，由于累積確認(rèn)機(jī)制爱咬，可以得出接收方已經(jīng)接收到了序號(hào)100的報(bào)文段台颠，這種情況也不會(huì)去重傳。

3勒庄、接收到ACK

用TCP狀態(tài)變量SendBase指最早未被確認(rèn)的字節(jié)的序號(hào)串前。則SendBase - 1 指接收方已正確按序接收到的數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。
當(dāng)收到ACK確認(rèn)報(bào)文段后实蔽，會(huì)將ACK的值Y與SendBase比較荡碾。TCP采用累計(jì)確認(rèn)的方法，所以Y確認(rèn)來(lái)字節(jié)編號(hào)在Y之前的所有字節(jié)都已經(jīng)收到局装。如果Y比SendBase小坛吁，不用理會(huì)；而如果Y比SendBase大铐尚，則該ACK是在確認(rèn)一個(gè)或多個(gè)先前未被確認(rèn)的報(bào)文段，因此要更新SendBase變量帖旨，如果當(dāng)前還有未被確認(rèn)的報(bào)文段泌霍，TCP還要重啟定時(shí)器桨武。

通過(guò)超時(shí)重傳，能保證接收到的數(shù)據(jù)是無(wú)損壞性誉、無(wú)冗余的數(shù)據(jù)流煌往，但并不能保證按序。

而通過(guò)TCP滑動(dòng)窗口却邓，能夠有效保證接收數(shù)據(jù)有序

二檬某、流量控制

TCP連接的雙方主機(jī)都會(huì)為該TCP連接分配緩存和變量。當(dāng)該TCP連接收到正確、按序的字節(jié)后，就將數(shù)據(jù)放入接收緩存锁保。上層的應(yīng)用進(jìn)程會(huì)從該緩存中讀取數(shù)據(jù)，但不必是數(shù)據(jù)一到達(dá)就立即讀取，因?yàn)榇藭r(shí)應(yīng)用程序可能在做其他事務(wù)。而如果應(yīng)用層讀取數(shù)據(jù)相對(duì)緩慢瘫筐，而發(fā)送方發(fā)送得太多、太快，發(fā)送的數(shù)據(jù)就會(huì)很容易地使該連接的接收緩存溢出。

所以帘睦，TCP為應(yīng)用程序提供了流量控制服務(wù)（flow-control service）古胆，以消除發(fā)送方使接收方緩存溢出的可能性。

流量控制是一個(gè)速度匹配服務(wù)，即發(fā)送方的發(fā)送速率與接收方應(yīng)用程序的讀取速率相匹配艘刚。

作為全雙工協(xié)議，TCP會(huì)話的雙方都各自維護(hù)一個(gè)發(fā)送窗口和一個(gè)接收窗口（receive window）的變量來(lái)提供流量控制识啦。而發(fā)送窗口的大小是由對(duì)方接收窗口來(lái)決定的，接收窗口用于給發(fā)送方一個(gè)指示--該接收方還有多少可用的緩存空間姨伤。

1徒溪、發(fā)送窗口

發(fā)送方的發(fā)送緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)都可以被分為4類:

1. 已發(fā)送，已收到ACK
2. 已發(fā)送，未收到ACK
3. 未發(fā)送，但允許發(fā)送
4. 未發(fā)送，但不允許發(fā)送

則2和3屬于發(fā)送窗口

• 發(fā)送窗口只有收到發(fā)送窗口內(nèi)字節(jié)的ACK確認(rèn)，才會(huì)移動(dòng)發(fā)送窗口的左邊界

2、接收窗口

接收方的緩存數(shù)據(jù)分為3類：
1.已接收
2.未接收但準(zhǔn)備接收
3.未接收而且不準(zhǔn)備接收
則2 屬于接收窗口（這里的接收指接收數(shù)據(jù)并確認(rèn)）

• 接收窗口只有在前面所有的報(bào)文段都確認(rèn)的情況下才會(huì)移動(dòng)左邊界。當(dāng)在前面還有字節(jié)未接收但收到后面字節(jié)的情況下康愤，會(huì)先接收下來(lái)，接收窗口不會(huì)移動(dòng)，并不對(duì)后續(xù)字節(jié)發(fā)送ACK確認(rèn)報(bào)文，以此確保發(fā)送端會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)重傳。

我們定義以下變量：

• LastByteRead：接收方應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)流的最后一個(gè)字節(jié)編號(hào)作儿∪⑼蹋可以得知，這是接收緩存的起點(diǎn)
• LastByteRcvd：從網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)的并且已放入接收緩存中的數(shù)據(jù)流的最后一個(gè)自己的的編號(hào)。

可以得知：LastByteRcvd - LastByteRead <= RcvBuffer(接收緩存大小)
那么接收窗口rwnd =RcvBuffer - （LastByteRcvd - LastByteRead）
rwnd是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的坤按，如果rwnd為0沉桌，則意味著接收緩存已經(jīng)滿了蔼夜。
接收端在回復(fù)給發(fā)送端的ACK中會(huì)包含該rwnd拯坟，發(fā)送端則會(huì)根據(jù)ACK中的接收窗口的值來(lái)控制發(fā)送窗口。

有一個(gè)問(wèn)題，如果當(dāng)發(fā)送rwnd為0的ACK后答憔，發(fā)送端停止發(fā)送數(shù)據(jù)另凌。等待一段時(shí)間后献汗，接收方應(yīng)用程序讀取了一部分?jǐn)?shù)據(jù)，接收端可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，于是給發(fā)送端發(fā)送報(bào)文告訴發(fā)送端其接收窗口大小喧枷，但這個(gè)報(bào)文不幸丟失了夸赫，我們知道呼奢，不含數(shù)據(jù)的ACK是不會(huì)超時(shí)重傳的，于是就出現(xiàn)發(fā)送端等待接收端的ACK通知||接收端等待發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的死鎖狀態(tài)届氢。

為了處理這種問(wèn)題寂祥，TCP引入了持續(xù)計(jì)時(shí)器（Persistence timer），當(dāng)發(fā)送端收到對(duì)方的rwnd=0的ACK通知時(shí)，就啟用該計(jì)時(shí)器梢夯，時(shí)間到則發(fā)送一個(gè)1字節(jié)的探測(cè)報(bào)文，對(duì)方會(huì)在此時(shí)回應(yīng)自身的接收窗口大小戳护，如果結(jié)果仍未0，則重設(shè)持續(xù)計(jì)時(shí)器驻右，繼續(xù)等待。

三菊匿、擁塞控制

TCP除了可靠傳輸服務(wù)外跌捆，另一個(gè)關(guān)鍵部分就是擁塞控制姆钉。
TCP讓每一個(gè)發(fā)送方根據(jù)所感知到的網(wǎng)絡(luò)擁塞程度來(lái)限制其能向連接發(fā)送流量的速率。
可能有三個(gè)疑問(wèn)：
1类早、TCP發(fā)送方如何感知網(wǎng)絡(luò)擁塞？
2萄凤、TCP發(fā)送方如何限制其向連接發(fā)送流量的速率兽泄？
3栅屏、發(fā)送方感知到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)哥纫，采用何種算法來(lái)改變其發(fā)送速率？
這就是TCP的擁塞控制機(jī)制芥喇。
前邊說(shuō)到，TCP連接的每一端都是由一個(gè)接收緩存错沽、一個(gè)發(fā)送緩存和幾個(gè)變量（LastByteRead簿晓、LastByteRcvd、rwnd等）組成千埃。而運(yùn)行在發(fā)送方的TCP擁塞控制機(jī)制會(huì)跟蹤一個(gè)額外的變量憔儿，即擁塞窗口cwnd（congestion window）。它對(duì)一個(gè)TCP發(fā)送方能向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送流量的速率進(jìn)行了限制放可。
發(fā)送方中未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)量不會(huì)超過(guò)cwnd和rwnd的最小值:min(rwnd,cwnd)

1谒臼、TCP發(fā)送方如何感知網(wǎng)絡(luò)擁塞？

冗余ACK（duplicate ACK）：就是再次確認(rèn)某個(gè)報(bào)文段的ACK耀里，而發(fā)送方先前已經(jīng)收到對(duì)該報(bào)文段的確認(rèn)蜈缤。

冗余ACK的產(chǎn)生原因：

• 1.當(dāng)接收端接收到失序報(bào)文段時(shí)，即該報(bào)文段序號(hào)大于下一個(gè)期望的冯挎、按序的報(bào)文段底哥，檢測(cè)到數(shù)據(jù)流中的間隔，即由報(bào)文段丟失，并不會(huì)對(duì)該報(bào)文段確認(rèn)趾徽。TCP不使用否定確認(rèn)续滋，所以不能向發(fā)送方發(fā)送顯式的否定確認(rèn)，為了使接收方得知這一現(xiàn)象孵奶，會(huì)對(duì)上一個(gè)按序字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)確認(rèn)疲酌，這也就產(chǎn)生了一個(gè)冗余ACK。
• 2.因?yàn)榘l(fā)送方經(jīng)常發(fā)送大量的報(bào)文段拒课，如果其中一個(gè)報(bào)文段丟失徐勃，可能在定時(shí)器過(guò)期前，就會(huì)收到大量的冗余ACK早像。一旦收到3個(gè)冗余ACK（3個(gè)以下很可能是鏈路層的亂序引起的僻肖，無(wú)需處理），說(shuō)明在這個(gè)已被確認(rèn)3次的報(bào)文段之后的報(bào)文段已經(jīng)丟失卢鹦，TCP就會(huì)執(zhí)行快速重傳臀脏，即在該報(bào)文段的定時(shí)器過(guò)期之前重傳丟失的報(bào)文段。

將TCP發(fā)送方的丟包事件定義為：要么出現(xiàn)超時(shí)冀自，要么收到來(lái)自接收方的3個(gè)冗余ACK揉稚。

當(dāng)出現(xiàn)過(guò)度的擁塞時(shí)，路由器的緩存會(huì)溢出熬粗，導(dǎo)致一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄搀玖。丟棄的數(shù)據(jù)報(bào)接著會(huì)引起發(fā)送方的丟包事件。那么此時(shí)驻呐，發(fā)送方就認(rèn)為在發(fā)送方到接收方的路徑上出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞灌诅。

2、TCP發(fā)送方如何限制其向連接發(fā)送流量的速率含末？

• 當(dāng)出現(xiàn)丟包事件時(shí)：應(yīng)當(dāng)降低TCP發(fā)送方的速率猜拾。

• 當(dāng)對(duì)先前未確認(rèn)報(bào)文段的確認(rèn)到達(dá)時(shí)，即接收到非冗余ACK時(shí)佣盒，應(yīng)當(dāng)增加發(fā)送方的速率挎袜。

3、發(fā)送方感知到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)肥惭，采用何種算法來(lái)改變其發(fā)送速率盯仪？

即TCP擁塞控制算法（TCP congestion control algorithm）
包括三個(gè)主要部分：慢啟動(dòng)、擁塞避免蜜葱、快速恢復(fù)磨总，其中快速恢復(fù)并非是發(fā)送方必須的，慢啟動(dòng)和擁塞避免則是TCP強(qiáng)制要求的

• 1笼沥、慢啟動(dòng)
  當(dāng)一條TCP連接開(kāi)始時(shí)蚪燕，擁塞窗口cwnd的值通常置為一個(gè)MSS的較小值娶牌，這就使初始發(fā)送速率大約為MSS/RTT（RTT：往返時(shí)延，報(bào)文段從發(fā)出到對(duì)該報(bào)文段的確認(rèn)被接收之間的時(shí)間量）馆纳。
  而對(duì)TCP發(fā)送方來(lái)說(shuō)诗良，可用帶寬可能比MSS/RTT大得多,TCP發(fā)送方希望迅速找到可用帶寬的數(shù)量。因此鲁驶，在慢啟動(dòng)狀態(tài)鉴裹，cwnd以一個(gè)MSS的值開(kāi)始并且每當(dāng)收到一個(gè)非冗余ACK就增加一個(gè)MSS。

如圖钥弯，最初cwnd值為1MSS径荔，發(fā)送一個(gè)報(bào)文段M1。收到M1的確認(rèn)后脆霎，cwnd增加為2MSS总处，這時(shí)可以發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段M2，M3睛蛛。收到這兩個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)后鹦马，cwnd則增加為4MSS，可以發(fā)送四個(gè)報(bào)文段忆肾，以此類推...

因此荸频，TCP雖然發(fā)送速率起始慢，但在慢啟動(dòng)階段以指數(shù)增長(zhǎng)客冈。

這種指數(shù)增長(zhǎng)很顯然不是無(wú)限制的旭从，那么何時(shí)結(jié)束呢？
如果出現(xiàn)丟包事件场仲，TCP發(fā)送方將ssthresh（慢啟動(dòng)閾值）設(shè)置為cwnd/2

• 發(fā)生由超時(shí)引起的丟包事件和悦，并將cwnd重置為1MSS，重啟慢啟動(dòng)

• 當(dāng)TCP發(fā)送方的cwnd值達(dá)到或超過(guò)ssthresh燎窘，再繼續(xù)翻倍顯然不合適摹闽。這時(shí)將結(jié)束慢啟動(dòng)轉(zhuǎn)移到擁塞避免模式蹄咖。

• TCP發(fā)送方檢測(cè)到3個(gè)冗余ACK褐健，會(huì)結(jié)束慢啟動(dòng)，并快速重傳澜汤，即在該報(bào)文段的定時(shí)器過(guò)期之前重傳丟失的報(bào)文段蚜迅。且進(jìn)入快速恢復(fù)狀態(tài)。

• 2俊抵、擁塞避免
  一旦進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)谁不，cwnd的值大約是上次遇到擁塞時(shí)的值的一半，即距離擁塞并不遙遠(yuǎn)徽诲。因此刹帕，TCP無(wú)法每過(guò)一個(gè)RTT就將cwnd翻倍吵血。而是每個(gè)RTT只增加1MSS，即每收到一個(gè)非冗余ACK偷溺，就將cwnd增加1/cwnd蹋辅。即假如此時(shí)cwnd為10MSS，則每收到一個(gè)非冗余ACK挫掏，cwnd就增加1/10MSS侦另，在10個(gè)報(bào)文段都收到確認(rèn)后，擁塞窗口的值就增加了1MSS尉共。
  

  
  那么何時(shí)結(jié)束擁塞避免的線性增長(zhǎng)（每RTT 1MSS）呢褒傅？
  和慢啟動(dòng)一樣，如果出現(xiàn)丟包事件袄友，TCP發(fā)送方將ssthresh（慢啟動(dòng)閾值）設(shè)置為cwnd/2（加法增大殿托， 乘法減小）

• 發(fā)生由超時(shí)引起的丟包事件杠河，擁塞避免和慢啟動(dòng)處理的方式相同碌尔。即TCP發(fā)送方將ssthresh（慢啟動(dòng)閾值）設(shè)置為cwnd/2，并將cwnd重置為1MSS券敌，重啟慢啟動(dòng)

• TCP發(fā)送方檢測(cè)到3個(gè)冗余ACK唾戚，cwnd為原來(lái)的一半加上3MSS，進(jìn)入快速恢復(fù)狀態(tài)待诅。
  

• 3叹坦、快速恢復(fù)

快速恢復(fù)是由3個(gè)冗余ACK引起的。
在快速恢復(fù)中卑雁，對(duì)引起TCP進(jìn)入快速恢復(fù)狀態(tài)的缺失報(bào)文段募书，對(duì)收到的每個(gè)冗余ACK，cwnd增加1個(gè)MSS测蹲。最終莹捡，當(dāng)對(duì)丟失報(bào)文段的一個(gè)ACK到達(dá)時(shí)，TCP在降低cwnd后進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)扣甲。
如果出現(xiàn)超時(shí)篮赢，和之前一樣，即TCP發(fā)送方將ssthresh（慢啟動(dòng)閾值）設(shè)置為cwnd/2琉挖，并將cwnd重置為1MSS启泣，重啟慢啟動(dòng)

快速恢復(fù)并非是必須的。

TCP的擁塞控制是：每個(gè)RTT內(nèi)cwnd線性（加性增）增加1MSS示辈，然后出現(xiàn)3個(gè)冗余ACK事件時(shí)cwnd減半（乘性減）寥茫，因此TCP擁塞控制常被稱為加性增，乘性減擁塞控制方式矾麻。