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1、第7章 传输控制协议TCP,要求: 1. 掌握TCP的可靠性机制:确认、重传、序号; 2. 掌握TCP的流控和提高传输效率策略:滑动窗口机制; 3. 掌握TCP连接的建立与关闭协议:三次握手; 4. 掌握TCP的报文段格式; 5. 掌握TCP的拥塞控制技术; 6. 掌握TCP避免糊涂窗口综合症的技术; 7. 了解紧急数据发送和强迫数据发送。,问题?,IP协议的特点是什么? 无连接 不保证可靠性 尽最大努力传输 应用程序如果要得到高可靠服务,有哪些途径? 在IP层上增加一层功能模块 由应用程序自身完成可靠性功能 UDP能否满足应用程序的需求?,7.1 概述,1.可靠性: 防丢失:确认与重传; 防
2、重复:报文段序号; 2.传输效率、流量控制:滑动窗口机制; 3.拥塞控制:加速递减与慢启动技术; 4.建立连接:三次握手协议; 5.关闭连接:改进的三次握手协议。,要实现可靠的数据流传输服务, 必须解决哪几个问题?, 面向数据流; 虚电路连接; 有缓冲的传输; 无结构的数据流; 全双工连接。,可靠传输服务有哪些特点?,7.2 TCP的特点,7.3 TCP连接 1.建立连接 :三次握手,功能: 1. 同意连接协商,做好传输数据的准备; 2.协商各自报文段ISN(初始序列号,不能为1); 3. 协商MSS(只有SYN报文段能协商MSS)。 说明: SYN报文段占用初始序号,发送数据的第一字节序号为
3、ISN+1。,接收ACK,关于ISN和MSS,ISN 不能取1,为什么? ISN的设置方法是有一定规律的。 MSS 为什么要选择MSS? 如果连接的两端在同一个物理网络中,TCP协议软件能计算出合适的MSS; 如果连接的两端不在同一个物理网络中,则把路径上最小的MTU除去首部后的数据大小作为MSS. 选择合适的MSS非常困难:太小,网络利用率低;太大,会降低网络性能。,2.关闭连接:改进的三次握手,说明: FIN报文段占用一个序号;单纯的ACK报文段不占用序号。 TCP提供了半关闭能力:连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据。 有些编程接口提供close来关闭TCP连接,提供shut
4、down加特殊参数来实现半关闭。,接收ACK,接收ACK,3. TCP连接异常关闭 异常关闭:出现异常情况使得应用程序或网络软件 中断连接。 连接复位 RST:发起端发RST报文段,双方立即停 止传输,并退出连接。,4. 端口、端点和连接 (1) 端口(21、23、25、53、79、80、88、139、161) (2) 端点 一对整数:(host IP,port)标识通信一方的一个应用程序。 (3) 连接 一对端点:表示通信双方应用程序间的一条虚电路。 主动打开 去请求 被动打开 等待来 (4)说明 一台机器上的一个TCP端口可被多个连接共享; TCP、UDP可用相同的端口号,但不会冲突。,一
5、个DOS命令:Netstat Active Connections Proto Local Address Foreign Address State TCP koukou:1056 202.196.56.240:https ESTABLISHED Netstat o:列出与每个端口相关的进程 Netstat r: 显示路由表,7.4 提供可靠性 1. 防丢失 带重传的肯定确认技术, 接收方收到数据后向源站发确认(ACK); 设置定时器,源站在限定时间内未收到ACK,则重发。,接收确认,两个问题,如何识别和处理重复的数据? 序号 抛弃 定时器时限设置多长?,2. 防重复和乱序,报文段重复产生的
6、原因? “假“丢失:确认丢失或确认延迟(超时)到达,致使发送方重传造成的。 解决方法: 为每一分组赋予一个序号,用以检测重复。 序号同时保证了分组间的正确顺序。 确认时通过确认号指明哪些分组已经收到。(累计确认),序号与确认号,序号 (seq) seq1=ISN seqn+1= seqn+第n个报文段的长度(以字节计) 确认号(ACK) 确认号 = 期望接收的下一个报文段的序号,可提高效率的捎带累计确认技术,什么是累计确认? 只确认前面连续收到的报文 什么是捎带确认? 把对上一个报文的确认信息放到发给发送方的数据报文中捎带回去。,3. RTT与重传定时器,对于超时重传的情况,如何设置重传定时器
7、的时限? 时限设置的过大过小会出现什么问题? 网络性能不断变化,定时时限应动态调整 两个概念: RTT:往返时间,报文段发出到收到确认信息间的时间段。 自适应重传算法:监视每个连接的性能,由此推算出合适的定时时限。当连接的性能变化时,随时修改定时时限。,重传定时时限的计算方法,重传定时时限的计算方法: 早期的方法 改进的方法 Karn算法和定时器补偿,(1) 早期的方法 R:RTT的估计值 (之前RTT的加权平均值) M:本次测量的RTT值 RTO:定时时限 修改估计值: R R + (1-)M (01,通常取=0.9) 计算时限: RTO = R (早期取2,后改为4) 缺陷:在RTT变化较
8、大的场合,说明网络某处处于拥塞状态,但上述方法对此反映不敏感,从而造成不必要的重传,进一步加重网络负担。,(2) 改进的方法 R:RTT的估计值 M:本次测量的RTT值 RTO:定时时限 Diff:本次测量结果与上次RTT估计值的偏差 Dev :平均偏差的估计值 Diff M - R R R + *Diff Dev Dev +*(|Diff| - Dev) (Dev的估计值) RTO R +*Dev 、在01之间,通常取: = 1/8, = 1/4,= 8,(3) Karn算法和定时器补偿 确认二义性:对于重传的报文段,收到确认后是对哪一次传输的确认无法确定。 结果:RTT样本值无法使用 ;
9、Karn算法: 思想:当超时重传发生时,不再更新RTT估计值,忽略重传样本。 定时器补偿: 超时重传发生,加大定时时限: RTO *RTO (通常取2,即指数避退)。 对重传分组的后续分组,定时时限不变,直到获得一个新的有效样本时再更改时限值。,7.5 传输效率和流量控制 - 滑动窗口机制 停-等机制:等前一个报文的确认到来后才能发送下一个报文,效率太低。 1.一般的滑动窗口机制 思想:允许发送方不必等确认到来就可继续发送下面的分组,但规定一个上限。若多个分组的确认未到时,则暂停发送。,TCP的滑动窗口按字节操作而不是按报文段或 分组操作。 TCP窗口大小为字节数。最大为65535字节。 发送
10、方为每个连接设置3个指针,定义了滑动窗口三要素: (1) 左边界指针:区分已发送字节流中已确认部分与未确认部分。 (2) 右边界指针:序列中未得到确认情况下可以发送的最高字节的序号。 (3) 已发与未发边界指针:窗口中已发送和未发送字节的界限。,2. TCP的滑动窗口技术,1 2 100 101 102 4100 4101 4102,分组流,WindowSize=4000,右边界指针,左边界指针,已发与未发 边界指针,通信双方都设有发送和接收缓冲区(相当于发送窗口和接收窗口)。默认大小各系统有差异,如4096、8192、16384等。发送缓冲区大小为默认窗口大小。 TCP连接两端各有两个窗口(
11、发送窗口和接收窗口),3. TCP端到端流量控制 - 窗口大小可变技术 时机:目的主机缓冲区变小而不能接收源主机更多的数据时,就要进行流量控制。 TCP技术:可随时改变窗口大小。目的主机在确认时,向源主机告知目的主机接收缓冲区的大小。,说明:接收方使用0窗口通告来停止所有的传输。此时,除了紧急数据和窗口试探报文外,不发其它数据 。,101 200 201 320 321399,如何防止死锁?,当接收方缓存有了空间时,如何让对方继续发送数据给自己? 如果窗口变为非0时,则接收方会向发送方发非0窗口的通告; 但是,若该确认丢失,则会造成死锁。如何防止死锁? 坚持定时器:发送方接收到0窗口通告时进行
12、设置。用于周期性地向对方询问窗口大小。 窗口试探报文:在坚持定时器时间到、但仍没收到接收方非0窗口的通知时发送。防止非0窗口通告丢失造成死锁。,发送端要发送 900 字节长的数据,划分为 9 个 100 字节长的报文段,而发送窗口确定为 500 字节。 发送端只要收到了对方的确认,发送窗口就可前移。 发送 TCP 要维护一个指针。每发送一个报文段,指针就向前移动一个报文段的距离。,举例,发送端已发送了 400 字节的数据,但只收到对前 200 字节数据的确认,同时窗口大小不变。 现在发送端还可发送 300 字节。,发送端收到了对方对前 400 字节数据的确认,但对方通知发送端必须把窗口减小到
13、400 字节。 现在发送端最多还可发送 400 字节的数据。,主机 A,主机 B,允许 A 再发送 300 字节,A 还能发送 200 字节,A 还能发送 200 字节,A 还能发送 300 字节,A 还能发送 100 字节,A 超时重发,但不能发送序号 500 以后的数据,允许 A 再发送 200 字节(序号 501 至 700),A 还能发送 100 字节(序号 601 至 700),不允许 A 再发送(到序号 600 的数据都已收到),利用可变窗口大小进行流量控制 双方确定的窗口值是 400,1.什么是SWS? 接收方的小窗口通告造成发送方发送一系列小的报文段,严重浪费网络带宽。 2.启
14、发式的避免策略: 接收方: (1)避免小窗口通告 ,在零窗口通告之后,只在可用缓冲区显著增加(缓冲区空间的一半或一个MSS)后才发送新的窗口通告 (2)推迟确认(最多500ms),窗口大小不到避免SWS策略所需的尺寸时,不确认。 为了使发送方正确估计RTT,至少每隔一个报文段要进行正常的确认。,4. 糊涂窗口综合症SWS,发送方:避免小报文段发送 Nagle算法:自适应推迟传输以便将数据组块 (1)连接建立后,最初的数据会立即发送。 (2)当缓冲区中数据不足一个报文段,则推迟发送。等到一个确认来到(确认触发)时,发送缓冲区中的小报文段。 3.说明 Nagle算法的两个优点: 自适应:确认到达得
15、越快,数据也就发送得越快 ; 计算简单:不需要定时器。 可关闭Nagle算法,应用程序接口一般提供选项TCP-NODELAY来关闭Nagle算法。,拥塞:交换节点(如路由器)数据报负载过重的现象 。 回顾:IP层的拥塞控制技术: (ICMP源站抑制报文),是一种被动机制。 TCP拥塞控制的必要性:在TCP层,拥塞造成时延增加,这又会造成超时重传,控制不当会进一步加重拥塞。,7.6 TCP拥塞控制技术,TCP控制拥塞的两个变量,每一个TCP连接需要有以下两个状态变量: 接收端窗口 (receiver window) ,又称为通知窗口(advertised window)。 接收端根据其目前的接收
16、缓存大小向发送方所许诺的最新的窗口值 来自接收端的流量控制 拥塞窗口 (congestion window)。 发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值 它对一个发送方能向网络中发送流量的速率进行限制 来自发送端的流量控制。,发送窗口的上限值,发送窗口的上限值取决于接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这两个变量中较小的一个,即应按以下公式确定: 发送窗口的上限值 min rwnd, cwnd,慢启动门限,慢启动门限(ssthresh)用于确定是采用慢启动还是拥塞避免算法来控制数据传送: 当cwndssthresh时,使用拥塞避免算法; 当cwnd=ssthresh时,既可以使用慢启动算法,也可以使用拥塞避免算法。, 拥塞窗口cwnd 每个连接都有一个拥塞窗口,该窗口大小以字节