传输控制协议tcp.ppt

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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