TCP协议图文并茂深入浅出

本文将简单介绍tcp协议的基本内容,主要包括一下四部分:

• tcp概述

• TCP可靠数据传输

• TCP流量控制

• TCP连接管理

TCP概述

• tcp是一个点对点端到端的传输协议,有一个发送方和接收方。

• tcp传输的是可靠的按序到达的字节流

• tcp采用流水线机制,提高传输的效率。TCP通过拥塞控制和流量控制机制来控制滑动窗口的大小

• tcp协议分别设置了发送方缓存和接收方缓存

• tcp采取全双工(full-duplex)传输,也就是传输过程中,同一连接可以传输双向的数据流,发送方可以传给接收方,接收方也可以传给发送方。

• tcp是面向连接的协议,通信双方在发送数据之前必须建立连接。连接状态只在连接的两端中维护,在沿途节点中并不维护状态。TCP连接包括:  两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等
• tcp实现了流量控制机制

  TCP段结构

TCP: 序列号和ACK

序列号:

       • 序列号指的是segment中第一个字节的编号,而不是segment的编号

  • 建立TCP连接时,双方随机选择序列号

ACKs:

      • 希望接收到的下一个字节的序列号

      • 累计确认:该序列号之前的所有字节均已被正确接收到

Q: 接收方如何处理乱序到达的Segment?

      • A: TCP规范中没有规定,由TCP的实现者做出决策

上图我们进行一个分析,以便搞清楚tcp序列号和ack的应用

首先,hostA作为发送方给B发送数据,随机选择一个序列号seq = 42,也就是这段segment中的第一个字节的编号,并且设置ack=79,这表示,希望接收方回传seg=79作为确认信号代表接收方已经正确接受了这段数据然后HostB成功接收到数据,想发送方返回确认信息,根据发送方的ack,所以确认seg=79,然后通过ack告知希望接收到的下一个字节的序列号,并同时表示之前的所有字节均已被正确接收,所以发送ack=43告知已经接收到43号之前的字节,并希望发送方传送43号字节

TCP可靠数据传输

  接下来我们看看tcp协议是如何实现可靠传输的。

  • TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务

  • 流水线机制

  • 累积确认

  • TCP使用单一重传定时器

  • 触发重传的事件:超时和收到重复ACK

RTT和超时

  问题:如何设置定时器的超时时间?

  • 大于RTT, 但是RTT是变化的

  • 过短:不必要的重传

  • 过长: 对段丢失时间反应

  问题:如何估计RTT?

  SampleRTT: 测量从段发出去到收到ACK的时间忽略重传

  SampleRTT变化,测量多个SampleRTT,求平均值,形成RTT的估计值EstimatedRTT

  EstimatedRTT = (1- ?)EstimatedRTT + ?SampleRTT

  指数加权移动平均

  典型值:0.125

TCP发送方事件

  从应用层收到数据后,会进行以下几个步骤:

  • 创建segment

  • 序列号是segment第一个字节的编号

  • 开启计时器

  • 设置超时时间TimeOutInterval

  如果发生超时事件:

  • 重传引起超时的segment

  • 重启计时器

  收到ACK:

  • 如果确认此前未确认的Segment,更新SendBase,如果窗口中还有未被确认的分组,重新启动定时器

发送端伪码

 TCP重传示例

NextSeqNum = InitialSeqNum  
SendBase = InitialSeqNum  
loop (forever) {  
switch(event)  
      event: data received from application above  
create TCP segment with sequence number NextSeqNum  
  if (timer currently not running)  
    start timer  
    pass segment to IP  
           NextSeqNum = NextSeqNum + length(data)  
       event: timer timeout  
   retransmit not-yet-acknowledged segment with  
   smallest sequence number  
   start timer  
  event: ACK received, with ACK field value of y  
if (y > SendBase) {  
SendBase = y  
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)  
start timer  
}  
} /* end of loop forever */

快速重传机制

TCP的实现中,如果发生超时,超时时间间隔将重新设置,即将超时时间间隔加倍,导致其很大,重发丢失的分组之前要等待很长时间.

通过重复ACK检测分组丢失,Sender会背靠背地发送多个分组,如果某个分组丢失,可能会引发多个重复的ACK.

如果sender收到对同一数据的3个ACK,则假定该数据之后的段已经丢失.快速重传:在定时器超时之前即进行重传

算法

C++代码

event: ACK received, with ACK field value of y  
if (y > SendBase) {  
SendBase = y  
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)  
start timer  
}  
else {  
increment count of dup ACKs received for y  
if (count of dup ACKs received for y = 3) {  
resend segment with sequence number y  
}

TCP流量控制

  接收方为TCP连接分配buffer

上层应用可能处理buffer中数据的速度较慢

流量控制:发送方不会传输的太多、太快以至于淹没接收方(buffer溢出)

(假定TCP receiver丢弃乱序的segments)

Buffer中的可用空间(spare room) = RcvWindow 

 = RcvBuffer-[LastByteRcvd -LastByteRead]

Receiver通过在Segment的头部字段将RcvWindow 告诉Sender。 Sender限制自己已经发送的但还未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸。

Receiver告知SenderRcvWindow=0,会出现什么情况?

会出现卡死,发送方不发数据了。关于这些问题具体会在tcp拥塞控制里面讨论。

TCP连接管理

TCP sender和receiver在传输数据前需要建立连接。

三次握手机制

第一次握手: client host sends TCP SYN

  segment to server

  • specifies initial seq #

  • no data

第二次握手: server host receives SYN, replies

  with SYNACK segment

  • server allocates buffers

  • specifies server initial seq. #

第三次握手: client receives SYNACK, replies

  with ACK segment, which may

  contain data

四次握手机制

  TCP连接管理:关闭

  Step 1: client向server发送TCP FIN 控制segment

  Step 2: server 收到FIN, 回复ACK. 关闭连接, 发送

  FIN.

  Step 3: client 收到FIN, 回复ACK.

  • 进入“等待” –如果收到FIN,会重新发送ACK

  Step 4: server收到ACK. 连接关闭.

  由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

(1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。

(2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。

(3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。

(4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

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