【计算机网络】第3章 运输层（下）

流水线协议

发送方允许发送多个、“传输中的”，还没有应答的报文段

它比较停等协议能增加利用率

滑动窗口协议

发送方和接收方都具有一定容量的缓冲区（即窗口），允许发送站连续发送多个分组而不需要等待应答

发送窗口：发送端允许连续发送的分组的序号表

接收窗口：接收方允许接收的分组的序号表

Go-Back_N

发送窗口尺寸为N；接收窗口尺寸为1；位于发送窗口内的分组才允许被发送，位于接收窗口内的分组才能被接收，关键是窗口如何滑动

重要特征：累计ACK（对正确接收的分组总是发送具有最高按序序号的ACK），全部重传

发送方FSM：

• 发送窗口滑动的条件：收到1个确认分组
• 超时重传时，重传所有未被确认的分组

接收端FSM：

• 接收窗口滑动的条件：收到期望序号的分组
• 累计ACK(n)：表明已经正确收到序号n（包括n）以前的分组
• 对失序分组的处理：丢弃，重发（已按序接收分组的）ACK

例子：

缺点：有不必要的重传问题

选择重传

发送窗口尺寸为N；接收窗口尺寸为N；

特征：独立ACK，重传单个分组

• 独立ACK: 对每个分组使用单独的确认
  
• 需N个定时器，若某个分组超时，则重传该分组
  
• 接收窗口为N，对非按序到达的分组进行缓存
  

发送方：

• 发送窗口滑动的条件：收到最低位置分组的确认
• 超时重传时，仅重传超时的单个分组
• 
  

接收方：

• 接收窗口滑动的条件：收到最低位置的分组
• 单独ACK
• 对失序分组的处理：接收窗口内缓存，发对应ACK；接收窗口外丢弃

例子：

问题：当接受窗口太大，难以区分新分组和重传分组，因此窗口长度需要小于等于序号空间的一半

可靠传输的机制：

3.5 面向连接的传输: TCP

• 端到端：连接状态不为路由器所知，从发送方到接收方
• 可靠有序，具有缓冲区
• 面向连接，双向数据流
• 能够流量和拥塞控制

报文段结构

TCP序号就是已经发送第一个字节序号，确认号就是期待对方发送的下一个字节序号

为什么不从0开始编号呢？

1.为了防止预测攻击

2.尽可能的避免数据混淆（如果cs断开后，会有可能某些数据仍然滞留在网络中。当cs再次连接，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，如果都是从0开始会使得新连接与旧连接数据包重叠几率大大增加,造成数据混淆）

如何设置超时的时间？

理论上，超时的时间最好是一个RTT的值，但是取每次的RTT值是非常不好的，变化大，为了”较平滑“，取m平均最近的测量值,并不仅仅是当前SampleRTT

EstimatedRTT = (1- α )*EstimatedRTT + α*SampleRTT

α通常为1/8这样，RTT的预计值就出来了，但是超时的时间，最好有个容量，不能太大也不能太小，叫它安全余量

DevRTT = (1-β)*DevRTT + β|SampleRTT-EstimatedRTT|*

β通常为1/4，然后超时值就为

TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT

###可靠数据传输

TCP在IP不可靠服务的基础上创建可靠数据传输服务

1.从应用层接收数据

创建报文段

启动计时器

2.超时

重传

重启计时器

3.收到确认（累计确认）

更新SendBase

如果还有没有传递的报文段，重新启动计时

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) { /* 累计确认到y */
                      SendBase = y
                      if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
                          start timer 
                      } 
         }  /* end of loop forever */ 

由于重传的情况很多，重传的话时间间隔长，所以出现了快速重传（在定时器超时之前重传）的算法，这也是TCP实现可靠数据传输有特点的地方

通过冗余ACK，检测丢失的报文段，然后重传

//事件: 收到ACK, ACK 域的值为 y 
    if (y > SendBase) { 
        SendBase = y
            if (当前还有没有确认的报文段)
                启动定时器 
            } 
  else { 
    值为 y的重复确认的次数加1
        if (值为 y的重复确认的计数= 3) {
            重传序号位y的报文段 
        }

###流量控制

流量控制：发送方不能发送太多、太快的数据让接收方缓冲区溢出

工作原理：

接收方在报文段接收窗口字段中通告其接收缓冲区的剩余空间，发送方要限制未确认的数据不超过RcvWindow

发送方：LastByteSent-LastByteAcked <或= RcvWindow

接收方：RcvWindow = RcvBuffer-[LastByteRcvd - LastByteRead]

LastByteSent：最后一个发送的字节编号；LastByteAcked：最后一个被确认的字节编号，它们相减就是已经发送还未被确认的数据量

###连接管理

TCP是面向连接的协议，TCP连接的建立和释放是每次TCP传输中必不可少的过程，三个过程

连接建立（三次握手）

SYN ：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)

SEQ : 序列号(Sequence Number)

ACK ：确认编号(Acknowledgement Number)

过程：

1.客户机向服务器发送 TCP SYN报文段

指定初始序号

没有数据

2.服务器收到SYN报文段, 用SYNACK报文段回复

服务器为该连接分配缓冲区和变量

指定服务器初始序号

3.: 客户机接收到 SYN，ACK, 用ACK报文段回复,可能包含数据

数据传输

没啥好讲的，建立连接后就是数据传输

连接释放（四次挥手）

1. 1.户机向服务器发送TCP FIN控制报文段
2. 2.服务器收到FIN，用ACK回答。关闭连接，发送FIN
3. 3.客户机收到FIN, 用ACK答 ，进入 “超时等待” – 将对接收到的FIN进行确认
4. 4,服务器接收ACK，连接关闭

1. 
   
2. 总结：TCP连接的客户端生命周期

TCP连接服务器生命周期：

3.6 拥塞控制的原理

当大量的分组进入网络，超出了网络的处理能力时，会引起网络局部或整体性能下降，这种现象称为拥塞。不加控制的拥塞甚至导致整个网络瘫痪

不同于流量控制

流量控制是端到端，接收方控制发送方的传输速率，如下图a

拥塞控制是发送方通过发送和响应的情况，获取网络链路的拥塞状况，来调整自身的发送速率，如下图b

拥塞的原因与开销

更实际的情况，当分组丢失时, 任何用于传输该分组的上游传输能力都被浪费!

两类拥塞控制方法

端到端的拥塞控制

不能从网络得到明确的反馈

从端系统根据观察到的时延和丢失现象推断出拥塞

这是TCP所采用的方法

网络辅助的拥塞控制

路由器为端系统提供显示反馈（一个bit指示一条链路出现拥塞，指示发送方按照一定速率发送）

3.7 TCP拥塞控制

发送方根据所“感知”到的网络拥塞程度来“限制”发送速率

发送方传递的速率是根据这个公式来的

LastByteSent-LastByteAcked≤min{cwnd,rwnd}

TCP拥塞控制算法

慢启动

当连接开始，以指数增加速率，直到第一个丢失事件发生，将拥塞窗口设为1

拥塞避免

为了防止过快增长，更加准确达到拥塞值，拥塞窗口转为线性增长，一个RTT只增加一个MSS

问题: 什么时候从指数增长转变为线性增长?

回答: cwnd达到它超时以前1/2的时候.

阈值：ssthresh，阈值ssthresh设置为发生丢失以前的cwnd的一半

快速恢复

分为两种情况，一个是TCP收到3个冗余确认后，进行快速恢复；另一个是超时事件后重传

超时重传：Cwnd值设置为1 MSS，进入慢启动

快速重传：Cwnd减半

3个冗余ACK指示网络还具有某些传送报文段的能力

“超时” 则拥塞更为 “严重”

TCP拥塞控制FSM描述

总结：

当cwnd < ssthresh时，发送者处于慢启动阶段, cwnd指数增长

当cwnd > ssthresh时，发送者处于拥塞避免阶段, cwnd线性增长

当出现3个冗余确认时, 阈值ssthresh设置为cwnd/2，且cwnd设置为ssthresh

当超时发生时，阈值ssthresh设置为cwnd/2，并且cwnd设置为1 MSS.

###TCP吞吐量

作为窗口长度和RTT的函数，TCP的平均吞吐量是什么？（忽略慢启动）

如果窗口为 W，吞吐量是 W/RTT

当丢包发生后，窗口降为 W/2，吞吐量为 W/2RTT.

一个连接的平均吞吐量为0 .75 W/RTT

###TCP公平性

如果K个 TCP 会话 共享带宽为 R的链路瓶颈, 每个会话应有R/K的平均链路速率

破坏公平的方式有两种：

• 使用UDP
• 多个并行TCP连接