TCP协议

  • 特点：有连接、一对一、提供可靠交付、全双工通信、面向字节流
  • 首部：20B，源端口+目的端口+序号+确认号等

连接管理

  • ACK：大写的ACK是一个标志位，用于表示是否接受到，除了三次握手的第一步，因为是发起者，所以并没有“接受”的过程。后续的所有TCP，ACK=1
  • seq：用来标志自己当前的包编号，由发送者决定
  • ack：小写的ack表示期待的下一个接受包，比如上一个你收到的包seq是114，那你期待的下一个包就是114+1 = 115
  • SYN：用于建立连接的标志位，只出现在三次握手中的前两次报文。

三次握手

  1. 客户端发送 SYN 报文，SYN=1, seq=x
  2. 服务器响应 SYN-ACK，SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
  3. 客户端确认 ACK 报文，ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

四次挥手

  1. 客户端发送 FIN 报文，FIN=1, seq=x
  2. 服务器确认 ACK 报文，ACK=1, seq=y, ack=x+1
  3. 服务器发送 FIN 报文，FIN=1, seq=y
  4. 客户端确认 ACK 报文，ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

可靠传输机制

  • 序号（Sequence Number）：用于数据排序
  • 确认号（Acknowledgment Number）：确认已收到数据的下一个期望字节序号
  • 超时重传：未收到ACK超时后重发
  • 累积确认：可批量确认多个报文，每次确认x，代表x+1没收到，x之前的全收到了。
  • 滑动窗口：与流量控制配合使用

RTT估计和重传定时器调整

  • TCP会对每个数据包计算往返时间（RTT），用于动态调整重传超时（RTO）值，保证可靠传输同时避免不必要的重传。
  • 估计RTT通常采用 指数加权移动平均（EWMA） 方法：
  • 这里的 α 是平滑因子（通常取0.1到0.2之间）。

例如：

已知当前TCP连接的RTT值是35ms，连续收到3个确认报文段，它们比相应的数据报文段的发送时间滞后了27ms、30ms与21ms，设α = 0.2，计算第三个确认报文段到达后新的RTT估计值？

解答：

1）RTT=（1-0.2）* 35 + 0.2 * 27 = 33.4ms

2）RTT=（1-0.2）* 33.4 + 0.2 * 30 = 32.7ms

3）RTT=（1-0.2）* 32.7 + 0.2 * 21 = 30.4ms

所以当第三个确认报文到达后，新的RTT估计值是30.4.

流量控制

接收窗口（rwnd）

rwnd就是 receive window。

  • 接收方维护一个接收缓冲区；
  • 每接收到一些数据，并将其交给应用层处理后，就会更新 rwnd
  • 发送方根据 rwnd 控制发送速率，不发送超过 rwnd 字节的未确认数据。

拥塞控制

概念解释：

  • 拥塞窗口（cwnd）：一个根据拥塞情况估计的窗口值，实际发送会和rwnd结合取小值。
  • 慢启动阈值（ssthresh或Threshold）：一个限制慢启动的阈值。

image.png

  • 慢启动：不是指启动的慢，而是从慢开始启动，启动速度很快，翻倍指数成长

图中我们可以看到RTT在1-6的时候就是翻倍增长，此时就是慢启动，在后面cwnd=32的时候停下是因为到达了慢启动阈值ssthresh=32，进入拥塞避免状态。

  • 拥塞避免：到达ssthresh之后，每个RTT使 cwnd + 1，慢慢增长

图中我们可以看到6-16区间就是我们的拥塞避免状态，此时的rwnd从32到了42。

这个状态将持续到出现多个（3个）重复ACK，代表某个数据包可能丢失，接收方一直确认上一个正确的数据段。

  • 快重传：快重传会快速重传发送方不再等待超时，立即重传。
  • 快恢复：在快重传之后会立即触发，ssthresh = cwnd / 2; cwnd = cwnd / 2。

上图可以看到cwnd 从原值42变为了21，并且此时ssthresh 也变为 21。

  • 超时重传：一直没有接收到ACK，触发超时。将ssthresh = cwnd / 2; cwnd = 1 MSS;

图中可以看到在RTT=22时发生超市。

总结触发条件和效果：

  • 慢启动：
    • 触发条件：初始触发或超时重传触发；
    • 效果：cwnd = min(cwnd * 2, ssthresh);
  • 拥塞避免：
    • 触发条件：cwnd达到ssthresh
    • 效果：cwnd ++;
  • 快重传快恢复：
    • 触发条件：多次重复ACK
    • 效果：ssthresh = cwnd / 2; cwnd = cwnd / 2;
  • 超时重传：
    • 触发条件：一直没收到ACK，超时。
    • 效果：ssthresh = cwnd / 2; cwnd = 1 MSS;

UDP协议

  • 特点:无连接、首都开销小、最大努力交付,应用层要保证可靠性
  • 首部：8B，分别为源端口号、目的端口号、长度、校验和
  • 校验：采用首部、伪首部、数据进行二进制反码运算求和再取反