5.1-TCP（上）

计网

发布日期: 2022-05-01

TCP和UDP的对比

UDP是无连接的，随时可以通信；TCP是面向连接的，通信前要三次握手，通信完要四次挥手
UDP支持单播、多播以及广播；TCP仅支持一对一通信
UDP是面向应用报文的，UDP对应用进程交下来的报文既不合并也不拆分，而是保留这些报文的边界；TCP是面向字节流的，TCP把应用进程交付下来的数据块，仅仅看作是一连串的、无结构的字节流，这是TCP实现可靠传输、流量控制和拥塞控制的基础
UDP提供无连接不可靠的传输服务，适合实时应用，例如IP电话，视频会议等；TCP提供面向连接的可靠传输服务，不会出现传输差错（误码，丢失，乱序，重复），适合于要求可靠传输的应用，例如文件传输
UDP用户数据报的首部只有8个字节；TCP报文段首部最小长度为20字节，最大长度为60字节

TCP的流量控制

流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收

假设主机A要给主机B发送数据

（1）主机A一开始的发送窗口为400，可以将落入发送窗口的数据1-400发送出去，主机A先发送1-100的数据，然后发送101-200的数据，接着发送201-300的数据，但该数据在传输过程中丢失了

主机B对收到的201号以前的数据进行累计确认，并将窗口调整为300，对主机A进行流量控制

（2）主机A收到累计确认后，将发送窗口向前滑动，使已发送并收到确认的数据1-200移出发送窗口，并删除。由于主机B将接收窗口调整为300，因此主机A相应地将自己的发送窗口调整为300，现在发送窗口内的数据为201-500，其中201-300是已发送但未确认的数据，如果重传计时器超时，它们会被重传

（3）现在，主机A分别将301-400以及401-500的数据封装成TCP报文段发送出去，至此发送窗口内的数据都发送出去了，不能再发送数据了。现在201-300这100个字节数据的重传计时器超时了，主机A将它们重新发送

主机B对501号以前的数据进行累计确认，并将接收窗口调整为100，这是主机B对主机A进行的第二次流量控制

（4）主机A收到后，将窗口向前滑动，并调整为窗口大小为100，可以将201-500内的数据删除，此时窗口内的数据为501-600，依此类推

零窗口死锁

如果主机B某次确认时将接收窗口调整为0，则主机A也将发送窗口调整为0，这样就不能发送数据了，如果主机B过了一会又有接收缓存可以接收数据了，将接收窗口调整为300，并通告主机A，但该通告丢失了，这样就会出现主机A等待主机B发送的非零窗口的通知，而主机B也在等待主机A发送数据的死锁局面

为了解决这个问题，TCP为每个连接设置了一个持续计时器，只要TCP连接的一方收到了对方的零窗口通知，就启动持续计时器，若持续计时器超时，就发送一个零窗口探测报文，仅携带一字节的数据，而对方在确认这个探测报文段时，给出自己现在的接收窗口值，如果接收窗口仍然是零，那收到这个报文段的一方就重新启动持续计时器，如果接收窗口不是零，那死锁的局面就被打破了

TCP发送方的发送窗口=min{自身拥塞窗口，TCP接收方的接收窗口}

TCP拥塞控制

在某段时间，若网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏，这种情况就是拥塞

TCP的四种拥塞控制算法

慢开始

拥塞避免

快重传

快恢复

发送方维护一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量，其值取决于网络的拥塞程度，并且动态变化

拥塞窗口的维护原则：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减少一些
判断出现网络拥塞的依据：没有按时收到应当到达的确认报文（即发生超时重传）

发送方将拥塞窗口作为发送窗口swnd，此处不考虑流量控制

发送方还要维护一个慢开始门限状态变量ssthresh

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，既可以使用慢开始算法，也可使用拥塞避免算法

慢开始和拥塞避免

一开始拥塞窗口大小为1，慢开始门限初始值为16

由于发送窗口等于拥塞窗口，所以一开始只能发送一个TCP报文段，换句话说，拥塞窗口是几，就能发送几个TCP报文段。

拥塞窗口为1，发送方先发送0号报文段

收到0号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到2，这样发送方就能发送1-2号共两个报文段

收到1-2号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到4，这样发送方就能发送3-6号共四个报文段

收到3-6号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到8，这样发送方就能发送7-14号共八个报文段

收到7-14号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到16，这样发送方就能发送15-30号共十六个报文段

此时，拥塞窗口值已经增加到慢开始门限，要改用拥塞避免算法：每个传输轮次后，拥塞窗口值只能线性加1，而不像慢开始算法那样指数增长

收到15-30号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到17，这样发送方就能发送31-47号共十七个报文段

收到31-47号报文段的确认后，发送方将拥塞窗口增加到18，依次类推

假设拥塞窗口增加到24时，发送方就能发送171-194号共24个报文段，假设这24个报文段中丢失了几个，引起发送方的超时重传，发送方以此判断网络可能出现拥塞，就要采取以下措施

将慢开始门限值更新为发生拥塞时拥塞窗口的一半，也就是ssthresh=12
将拥塞窗口减小为1，重新开始执行慢开始算法，也就是cwnd=1

当拥塞窗口值增大到新的慢开始门限时，就停止慢开始算法，转而使用拥塞避免算法

总结

TCP发送方一开始使用慢开始算法，让拥塞窗口值从1开始按指数规律增大，当拥塞窗口值增大到慢开始门限时停止使用慢开始算法，转而执行拥塞避免算法，让拥塞窗口值按线性加1的规律增大，当发生超时重传时，就判断网络可能出现拥塞，采取相应措施，一方面将慢开始门限值更新为发生拥塞时拥塞窗口的一半；另一方面，将拥塞窗口减小为1，并重新开始执行慢开始算法