TCP是可靠的傳輸層協(xié)議，但這并不意味著一端發(fā)送的數(shù)據(jù)一定可以到達(dá)另一端，因?yàn)閭鬏斶^(guò)程中遇到的情況是不可控的，很有可能就有某些數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，所以”可靠”其實(shí)并不可靠。

不過(guò)畢竟現(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還算完善，傳輸過(guò)程中由于硬件錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的情況基本可以忽略，那么，數(shù)據(jù)丟失的原因就只能是：傳輸路徑過(guò)于擁堵，導(dǎo)致某些路由器或鏈路緩沖區(qū)無(wú)法再容納多余數(shù)據(jù)，那么對(duì)于新來(lái)的數(shù)據(jù)包就只能丟掉。

為了解決這一問(wèn)題，保證就算傳輸過(guò)程中遇到再多麻煩，也盡量使數(shù)據(jù)可以順利到達(dá)對(duì)端，TCP引入擁塞控制用于緩解網(wǎng)絡(luò)中的擁堵情況，同時(shí)采用超時(shí)重傳機(jī)制解決數(shù)據(jù)的丟失問(wèn)題

超時(shí)重傳機(jī)制

超時(shí)重傳機(jī)制主要是為了解決數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中丟失的問(wèn)題，在上一篇關(guān)于TCP流量控制的介紹中已經(jīng)簡(jiǎn)單接觸過(guò)超時(shí)重傳的概念。TCP每發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，就會(huì)為這個(gè)報(bào)文段開(kāi)啟一個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器溢出時(shí)仍然沒(méi)有收到接收端的應(yīng)答報(bào)文，那么TCP就認(rèn)為這個(gè)報(bào)文段在傳輸過(guò)程中丟失，然后重新發(fā)送這個(gè)報(bào)文段。這便是超時(shí)重傳機(jī)制

以<TCP/IP詳解>中的例子為例，通過(guò)tcpdump抓包分析觀察TCP的重傳

首先和遠(yuǎn)方的某個(gè)服務(wù)器進(jìn)行連接，發(fā)送一些數(shù)據(jù)以確認(rèn)連接正常，隨后拔掉本機(jī)以太網(wǎng)電纜，發(fā)送另一條數(shù)據(jù)

tcpdump的輸出結(jié)果為

可以看到，前三行表示TCP的三次握手，四五行分別表示發(fā)送的”hello world”報(bào)文段以及應(yīng)答報(bào)文段，隨后的若干行表示TCP多次嘗試重新發(fā)送”and hi”報(bào)文段，最后一行發(fā)送復(fù)位報(bào)文段，終止連接

本質(zhì)上就是當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)送”and hi”報(bào)文段時(shí)啟動(dòng)了定時(shí)器，然而在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)端的回復(fù)，所以重新發(fā)送”and hi”報(bào)文段，并重啟定時(shí)器(重啟的定時(shí)器時(shí)間會(huì)增大)

擁塞控制

超時(shí)重傳是為了解決數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，而數(shù)據(jù)丟失的原因很大程序上是由于傳輸路徑擁塞導(dǎo)致的。在正常的傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)是從一個(gè)路由器跳到下一個(gè)路由器，每個(gè)路由器都有自己的緩沖區(qū)，新來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)存放在緩沖區(qū)中，與此同時(shí)路由器也在不斷地將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給下一個(gè)路由器。但是如果某個(gè)路由器接收數(shù)據(jù)的速率大于發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，就會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)數(shù)據(jù)累積，最終填滿緩沖區(qū)。此時(shí)如果再有數(shù)據(jù)到來(lái)，緩沖區(qū)已經(jīng)無(wú)法容納它們，只能將它們丟掉，造成數(shù)據(jù)丟失

這就是所謂的擁塞現(xiàn)象，本質(zhì)就是傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)不平衡。為了解決這一問(wèn)題，就需要當(dāng)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象時(shí)立即減少發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)量，為路徑上的某些節(jié)點(diǎn)提供清空緩沖區(qū)的時(shí)間，同時(shí)也避免了不必要的重傳。

但是，發(fā)送端如何才能得知網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了擁塞呢。因?yàn)橛捎谟布e(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)丟失是很罕見(jiàn)的，所以發(fā)送端假定，如果出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失，那么就可以認(rèn)定發(fā)生了擁塞。TCP提供了若干緩解擁塞的算法，如

• 慢啟動(dòng)算法
• 擁塞避免算法
• 快速重傳算法
• 快速恢復(fù)算法

下面會(huì)分別介紹這幾種算法

由上一篇內(nèi)容可知，TCP有一個(gè)叫做流量控制的機(jī)制，它與擁塞控制非常相似，但是仍然有一些差異

• 流量控制是端對(duì)端的控制機(jī)制，兩端各自通知對(duì)方允許的窗口大小以防止對(duì)端發(fā)送過(guò)多數(shù)據(jù)導(dǎo)致自己來(lái)不及處理造成接收緩沖區(qū)被填滿
• 擁塞控制不是端對(duì)端的控制機(jī)制，它是為了緩解從一端到另一端這條路徑上的擁堵問(wèn)題

不過(guò)二者都是通過(guò)限制發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)來(lái)解決問(wèn)題，所以上述算法無(wú)非就是降低發(fā)送端發(fā)送速率，緩解網(wǎng)絡(luò)壓力

慢啟動(dòng)

慢啟動(dòng)算法的核心思想是當(dāng)連接剛建立時(shí)允許發(fā)送的報(bào)文段個(gè)數(shù)很少，隨后不斷增加允許發(fā)送的報(bào)文段個(gè)數(shù)直到規(guī)定的閥值

慢啟動(dòng)為發(fā)送方TCP提供了另一個(gè)窗口：擁塞窗口，記為cwnd。在對(duì)滑動(dòng)窗口的介紹中得知，發(fā)送方滑動(dòng)窗口不能大于對(duì)端允許的窗口大小（稱為通知窗口）。通過(guò)通知窗口，發(fā)送方可以得知接收方可以接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，從而根據(jù)這個(gè)大小設(shè)置自己的滑動(dòng)窗大小。

有了擁塞窗口的限制，發(fā)送方的滑動(dòng)窗口大小就不能大于擁塞窗口和通知窗口的最小值（多數(shù)情況是等于最小值），TCP就會(huì)根據(jù)這個(gè)最小值發(fā)送數(shù)據(jù)。擁塞窗口在連接建立時(shí)被初始化為1個(gè)報(bào)文段，此后每接收到一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，就將擁塞窗口增加，直到增加到慢啟動(dòng)閥值

擁塞窗口增加的規(guī)則是增加對(duì)端接收的報(bào)文段數(shù)。

比如發(fā)送方連續(xù)發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段，然后兩個(gè)應(yīng)答報(bào)文段先后被發(fā)給發(fā)送方，那么擁塞窗口會(huì)先后執(zhí)行兩次加一。然而如果對(duì)端將這兩個(gè)應(yīng)答合并成一個(gè)應(yīng)答報(bào)文段發(fā)回發(fā)送端，由于對(duì)端一次應(yīng)答了兩個(gè)報(bào)文段，那么擁塞窗口就直接加二

根據(jù)應(yīng)答報(bào)文段中對(duì)端希望下次接收的序列號(hào)和發(fā)送端滑動(dòng)窗口的左邊界序列號(hào)，可以計(jì)算出對(duì)端接收的報(bào)文段數(shù)。

另外，為了表示方便，擁塞窗口的單位是報(bào)文段，一個(gè)報(bào)文段中可能有多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。而通知窗口的單位是字節(jié)數(shù)，也就是序列號(hào)數(shù)。注意區(qū)分

上圖展現(xiàn)了慢啟動(dòng)算法過(guò)程中擁塞窗口大小的變化情況，擁塞窗口初始為1個(gè)報(bào)文段，所以TCP一次只能發(fā)送一個(gè)報(bào)文段

當(dāng)TCP將這一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送并得到對(duì)端應(yīng)答后，擁塞窗口加一變?yōu)?。此時(shí)可以發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段，然后接收到其中一個(gè)報(bào)文段的應(yīng)答報(bào)文段，擁塞窗口加一變?yōu)?。此時(shí)擁塞窗口為3，由于存在一個(gè)已經(jīng)發(fā)送但是沒(méi)有收到應(yīng)答報(bào)文段，此時(shí)還允許發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段，所以接下來(lái)TCP連續(xù)發(fā)送了兩個(gè)報(bào)文段，如此往復(fù)

當(dāng)然，TCP不能放任擁塞窗口這么瘋長(zhǎng)下去，所以設(shè)置了一個(gè)閥值，當(dāng)擁塞窗口增長(zhǎng)到這個(gè)閥值時(shí)，慢啟動(dòng)算法就結(jié)束了，隨后會(huì)執(zhí)行擁塞避免算法

擁塞避免算法

擁塞避免算法是當(dāng)擁塞窗口增長(zhǎng)到一定程度時(shí)采取的一種算法，該算法的核心思想是減緩擁塞窗口的增加速度，每接收到一個(gè)應(yīng)答就將擁塞窗口加一

注意擁塞避免算法和慢啟動(dòng)算法對(duì)于擁塞窗口的增加是有區(qū)別的。當(dāng)對(duì)端將多個(gè)應(yīng)答合并成一個(gè)應(yīng)答報(bào)文發(fā)送時(shí)（由于延遲ACK，通常都會(huì)合并發(fā)送），慢啟動(dòng)算法會(huì)將擁塞窗口增加多個(gè)報(bào)文段數(shù)而擁塞避免算法只加一個(gè)

慢啟動(dòng)算法和擁塞避免算法通常配合使用，二者需要TCP發(fā)送端維護(hù)一個(gè)擁塞窗口cwnd和一個(gè)慢啟動(dòng)門限ssthresh(閥值)，算法工作過(guò)程為

• 對(duì)一個(gè)給定的連接，初始擁塞窗口為1個(gè)報(bào)文段，同時(shí)設(shè)置慢啟動(dòng)門限為65536字節(jié)
• TCP輸出例程的輸出不能超過(guò)擁塞窗口和通知窗口的大小（二者的最小值是滑動(dòng)窗口的最大值）
• 執(zhí)行慢啟動(dòng)算法，擁塞窗口呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)增長(zhǎng)到慢啟動(dòng)門限時(shí)改為擁塞避免算法，使得擁塞窗口呈線性加法增長(zhǎng)
• 當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，將慢啟動(dòng)門限ssthresh改為當(dāng)前窗口的一半，但不能小于2個(gè)報(bào)文段（當(dāng)前窗口指的是滑動(dòng)窗口），然后將擁塞窗口設(shè)置為1一個(gè)報(bào)文段，重新開(kāi)始慢啟動(dòng)算法

圖中慢開(kāi)始指的就是慢啟動(dòng)算法

由圖片可以看到，當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)擁塞窗口立即降為1個(gè)報(bào)文段大小，使得發(fā)送方可以發(fā)送的報(bào)文段數(shù)量急劇下降，這就為傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)清空緩沖區(qū)提供了時(shí)間。此外由于已經(jīng)發(fā)生了擁塞，證明網(wǎng)絡(luò)條件并不是很好，所以擁塞窗口要增長(zhǎng)的慢些，將慢啟動(dòng)門限降為一半便是這個(gè)目的

快速重傳算法

前面介紹到當(dāng)數(shù)據(jù)超時(shí)定時(shí)器溢出時(shí)，發(fā)送端便得知有數(shù)據(jù)丟失，從而認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了擁塞。有什么其他方法可以確定數(shù)據(jù)丟失呢

考慮這樣一種情況，發(fā)送端在發(fā)送若干報(bào)文段后連續(xù)發(fā)送了多個(gè)報(bào)文段[1001:2000]，[2001:3000]，[3001:4000]…，但是只有后幾個(gè)報(bào)文段成功到達(dá)對(duì)端，由于對(duì)端希望接收的序列號(hào)是1001，所以接收端發(fā)送給發(fā)送端的所有應(yīng)答報(bào)文段中攜帶的序列號(hào)仍然都是1001。

快速重傳算法的核心思想就是當(dāng)發(fā)送端接收到了三個(gè)相同的應(yīng)答報(bào)文（攜帶的希望下次接收的序列號(hào)相同）時(shí)，就假設(shè)以該序列號(hào)結(jié)尾的那個(gè)報(bào)文段丟失，所以發(fā)送端不必等到定時(shí)器溢出就會(huì)重傳丟失的報(bào)文段

快速恢復(fù)算法

快速重傳算法僅僅是為了盡早發(fā)現(xiàn)丟失報(bào)文段并重傳，并不能確定網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞（如果發(fā)生嚴(yán)重的擁塞，就不會(huì)一連有好幾個(gè)報(bào)文段到達(dá)接收端，也就不會(huì)一連收到接收端發(fā)來(lái)的好幾個(gè)重復(fù)應(yīng)答報(bào)文段），所以不會(huì)執(zhí)行慢啟動(dòng)算法將擁塞窗口降為1

快速重傳法和快速恢復(fù)法的執(zhí)行過(guò)程如下

• 當(dāng)發(fā)送方連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)應(yīng)答報(bào)文時(shí)，就將慢啟動(dòng)門限ssthresh減半
• 將擁塞窗口降為減半后的ssthresh值+三個(gè)報(bào)文段
• 開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法，緩慢增加擁塞窗口

加三個(gè)報(bào)文段的原因是發(fā)送端目前可以確定接收方已經(jīng)接收到三個(gè)報(bào)文段（通過(guò)接收到三個(gè)重復(fù)應(yīng)答報(bào)文得知），所以可以確定這三個(gè)報(bào)文段沒(méi)有滯留在傳輸路徑上，也就沒(méi)有加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，所以可以加上三個(gè)報(bào)文段大小

在舊版的快速重傳算法中還是使用慢啟動(dòng)，但是正如上面所述，網(wǎng)絡(luò)很可能沒(méi)有發(fā)生擁塞，所以在修正后的版本中使用快速恢復(fù)算法

重新分組

現(xiàn)考慮一種情況，發(fā)送端連續(xù)發(fā)送M1,M2,M3三個(gè)報(bào)文段，但只有M1順利到達(dá)而M2和M3都在傳輸過(guò)程中丟失。如果按正常的流程，發(fā)送端TCP會(huì)先后重傳M2和M3兩個(gè)報(bào)文段。

但是從節(jié)省報(bào)文段數(shù)量的角度思考，如果將M2和M3合并成一個(gè)新的報(bào)文段進(jìn)行重傳，就能夠減少傳輸過(guò)程中的報(bào)文段數(shù)量，在某種程度上也減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)

由于TCP數(shù)據(jù)都是基于序列號(hào)的，每個(gè)數(shù)據(jù)都有唯一的序列號(hào)，所以可以將兩段數(shù)據(jù)合成一段

再次使用<TCP/IP詳解>中的例子，示例中首先發(fā)送一個(gè)報(bào)文段確認(rèn)連接正常，然后斷開(kāi)以太網(wǎng)電纜并發(fā)送兩個(gè)報(bào)文段（由于網(wǎng)絡(luò)連接中斷，這兩個(gè)報(bào)文段必將重傳），最后插上以太網(wǎng)電纜

觀察tcpdump輸出結(jié)果

從圖中可以看到發(fā)送”line number 2”報(bào)文段時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)原因進(jìn)行了兩次重傳，隨后鍵入”and 3”嘗試發(fā)送，發(fā)現(xiàn)TCP將這兩個(gè)報(bào)文段合并成一個(gè)進(jìn)行發(fā)送（從圖中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為20得知）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的TCP/IP学习笔记（四）TCP超时重传及拥塞控制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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