Java 面试题：TCP重传机制与拥塞控制 --xunznux

文章目录

• TCP重传机制
• • [1. 超时重传（Timeout Retransmission）](#1. 超时重传（Timeout Retransmission）)
  • [2. 快速重传（Fast Retransmission）](#2. 快速重传（Fast Retransmission）)
  • [3. 选择性确认（Selective Acknowledgment, SACK）](#3. 选择性确认（Selective Acknowledgment, SACK）)
  • [4. D-SACK(Duplicate sAcK)](#4. D-SACK(Duplicate sAcK))
  • [5. 总结](#5. 总结)
• TCP的拥塞控制机制
• • • [1. **慢启动（Slow Start）**](#1. 慢启动（Slow Start）)
    • [2. **拥塞避免（Congestion Avoidance）**](#2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）)
    • 拥塞发生
    • • 超时重传:
      • [**快速重传（Fast Retransmit）**](#快速重传（Fast Retransmit）)
    • [4. **快速恢复（Fast Recovery）**](#4. 快速恢复（Fast Recovery）)
    • [5. **Tahoe 和 Reno 算法**](#5. Tahoe 和 Reno 算法)
    • [6. **NewReno 算法**](#6. NewReno 算法)
    • [7. **拥塞窗口回退**](#7. 拥塞窗口回退)
    • [8. **BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)**](#8. BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT))
    • 总结

TCP重传机制

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的协议，它通过一系列机制来保证数据的可靠传输，其中之一就是重传机制。TCP 的重传机制能够确保在网络传输过程中，丢失的或损坏的数据包能够被重新发送，从而保证数据的完整性和可靠性。

TCP 实现可靠传输的方式之一，是通过序列号与确认应答。在 TCP 中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个确认应答消息，表示已收到消息但是如果传输的过程中，数据包丢失了，就会使用重传机制来解决。

TCP 重传机制主要包括以下几部分：

1. 超时重传（Timeout Retransmission）

• 基本原理：每当 TCP 发送一个数据包时，都会启动一个定时器，如果在指定的时间内没有收到对应的 ACK（确认报文），则认为该数据包在传输过程中丢失，TCP 会重新发送该数据包。这种机制称为超时重传。
• 超时重传的两种情况：发送方的数据包丢失；接收方的确认应答丢失。
• 重传时间间隔（RTO, Retransmission Timeout）：
  • 重传时间间隔（RTO）是根据往返时间（RTT, Round Trip Time）动态计算的，RTT 是指数据包从发送到接收到 ACK 的时间。TCP 使用一个名为 加权移动平均算法（EWMA, Exponential Weighted Moving Average）来计算 RTT，并以此来确定 RTO。
  • TCP 会根据网络状况调整 RTO 的值。如果 ACK 在预期的时间内没有收到，RTO 会呈指数级增长（指数退避算法），这样可以避免在网络拥塞时频繁重传导致的恶性循环。
  • RTO较长的影响：网络的空隙时间增大，降低了网络传输效率。
  • RTO较短的影响：发送方还未等到确认应答就进行了不必要的重传，导致网络负荷增大。
• 重传次数限制：TCP 并不会无限次地重传数据包，而是会有一个最大重传次数的限制。如果超过这个次数，TCP 会放弃连接并通知应用程序发生了严重的网络错误。
• 如果超时重发的数据，再次超时又要重传的时候，TCP的策略是将超时间隔加倍，也就是每当遇到一次超时重传的时候，都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。避免由于网络拥塞造成的重传导致进一步加剧了拥塞情况。（拥塞控制）

2. 快速重传（Fast Retransmission）

• 基本原理：当 TCP 接收方接收到一个失序的数据包（即后续的数据包），但未接收到预期的数据包时，它会立即发送一个重复的 ACK 报文来通知发送方已经接收到的数据包编号，并提示发送方丢失了某个特定的数据包。
• 三次重复 ACK：当发送方连续收到三个相同的 ACK（称为 Triple Duplicate ACK），意味着很可能一个数据包丢失了。此时，发送方会立即重传这个丢失的数据包，而不必等待 RTO 超时。这种机制称为快速重传。
• 优点：快速重传机制大大减少了数据包丢失后的等待时间，提高了网络的传输效率。快速重传解决了超时时间的问题，但还面临另外一个问题:重传的时候，是重传之前的一个，还是重传所有的问题。

3. 选择性确认（Selective Acknowledgment, SACK）

• 基本原理：SACK 是 TCP 的一种扩展选项，用于提高重传效率。常规的 ACK 只能确认已经接收到的连续数据块，但如果某个数据块丢失，而后续的数据块已经接收到了，接收方无法通过常规的 ACK 来通知发送方哪些具体数据块需要重传。

• SACK 机制：

  • SACK 选项允许接收方通知发送方，除了一部分丢失的数据包，其他的哪些数据包已经接收到了。这就使得发送方只需重传那些丢失的数据包，而无需重传已经成功接收的部分。
  • SACK 选项有效地减少了重传的数量，特别是在高丢包率的网络中，可以显著提高传输效率。

• SACK 的作用：在没有 SACK 的情况下，TCP 可能不得不重传已经成功接收的数据包，这种不必要的重传会导致带宽的浪费和传输延迟。SACK 通过允许接收方精确指示丢失的字节范围，避免了不必要的重传。

4. D-SACK(Duplicate sAcK)

主要使用了SACK来告诉【发送方】有哪些数据被重复接收了。下面举例来说明D-SAcK 的作用:

使用D-SACK的好处:

(1) 可以让【发送方】知道，是发出去的包丢了，还是接收方回应的ACK包丢了;

(2) 可以知道是不是【发送方】的数据包被网络延时了;

(3) 可以知道网络中是不是把【发送方】的数据包给复制了。

接收方:  <---- ACK A  <---- ACK B  <---- ACK C
发送方:  (因误判重传) B ----> C
接收方:  <---- D-SACK: B (重复的B)  <---- D-SACK: C (重复的C)

D-SACK 与 SACK 的区别

• SACK：SACK 主要用于通知发送方哪些字节范围的数据包已经成功接收，允许发送方仅重传丢失的部分数据，避免不必要的重传。
• D-SACK：D-SACK 是 SACK 的一种扩展，它不仅通知发送方成功接收到的数据，还通知发送方重复接收到的数据，从而帮助发送方检测和优化重传机制。

5. 总结

TCP 重传机制是保证数据传输可靠性的核心。通过超时重传、快速重传、快速恢复以及 SACK 机制，TCP 能够有效地处理网络中的数据包丢失、乱序等问题。不同的 TCP 实现和版本可能会在这些基础机制上进行优化，以适应不同的网络条件和应用场景。在现代网络环境中，这些重传机制共同作用，确保了 TCP 的可靠性和高效性。

TCP的拥塞控制机制

TCP 的拥塞控制机制是为了防止网络过载而设计的一组算法，旨在确保网络稳定性和高效性。TCP 通过动态调整发送速率，确保网络资源合理分配，避免拥塞引发的丢包和延迟问题。TCP 拥塞控制主要由以下几个阶段和算法组成：

1. 慢启动（Slow Start）

• 概述：慢启动是 TCP 连接建立后的初始阶段，目的是逐渐探测网络的可用带宽，防止突然增加的数据量造成网络拥塞。

• 工作原理：

  • TCP 连接建立后，拥塞窗口（Congestion Window, CWND）被初始化为一个较小的值（通常为1个MSS，最大报文段大小）。Maximum Segment Size 最大报文段长度 1500-20-20=1460字节。
  • 每次收到对方的确认 ACK 报文后，CWND 的大小会指数级增长，即每经过一个 RTT（Round-Trip Time），CWND 会翻倍，直到达到一个预设的阈值（Slow Start Threshold, SSTHRESH）或发生丢包。⼀般来说 ssthresh 的大小是65535字节。

• 优点：能够在连接建立初期快速增加数据传输速率，迅速利用可用的网络带宽。

• 缺点：如果网络带宽有限，指数增长的 CWND 可能会迅速引发拥塞。

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）

• 概述 ：当 CWND 达到慢启动阈值 SSTHRESH 时，TCP 进入拥塞避免阶段，逐步提高传输速率，避免网络过载。也就是说，将ssthresh换算为MSS单位，在慢启动阶段，每次全部收到cwnd的ACK后，cwnd值就翻倍了。而在拥塞避免阶段，是线性增加，每次收到一轮的ACK，也就是上一次cwnd发出的全部包的ACK后，cwnd才增加1个MSS。

• 工作原理：

  • 在拥塞避免阶段，CWND 以线性增长的方式缓慢增加。每经过一个 RTT，CWND 增加一个 MSS 的大小，而不是像慢启动阶段那样翻倍增长。
  • 这种方式使得网络能够逐渐适应流量的增加，避免因流量增长过快而引发拥塞。

• 优点：通过线性增长 CWND，平衡了网络负载，减少了拥塞发生的可能性。

• 缺点：当网络带宽充足时，线性增长的 CWND 增加较慢，可能无法充分利用网络资源。

那么，当进入拥塞避免，每次+1时，什么时候才会不再继续加？

随着每次发送的数量越发越多， 最终会超出带宽限制，于是就会有某条报文发生超时。有可能是发的中途丢了， 亦或者是返回的数据全阻塞住了，一条都回不来。这时就发生了超时重传。进入拥塞发生

阶段。

拥塞发生

超时重传:

这个时候，ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化：

• ssthresh 设为 cwnd/2
• cwnd 重置为 1
  接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的。这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿。

快速重传（Fast Retransmit）

• 概述：快速重传是指在收到三个重复的 ACK 报文后，TCP 立即重传被认为丢失的报文段，而不必等待超时。

• 工作原理：

  • 当发送方连续收到三个相同的 ACK 报文时，认为接收方可能丢失了下一个报文段，因此立即重传该报文段，而不是等待超时后再重传。

TCP 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：

1. cwnd=cwnd/2，也就是设置为原来的一半
2. ssthresh=cwnd
3. 进入快速恢复算法

• 优点：快速重传缩短了丢包后的恢复时间，减少了网络延迟。

• 缺点：快速重传机制依赖于重复 ACK 的数量，在高丢包率的网络环境下，可能误判或无法有效工作。

4. 快速恢复（Fast Recovery）

• 概述：快速恢复是在快速重传后，避免进入慢启动阶段，通过调整 CWND 恢复数据传输速率。

• 工作原理：

  • 快速重传后，TCP 将 SSTHRESH 设置为当前 CWND 的一半，并将 CWND 设置为 SSTHRESH 的值。然后通过线性增长的方式恢复传输速率，避免重新进入慢启动阶段。

• 优点：快速恢复能够在发生丢包后迅速恢复传输速度，提高网络利用率。

• 缺点：在严重拥塞情况下，快速恢复可能无法有效工作，需要结合其他机制来调整。

5. Tahoe 和 Reno 算法

• Tahoe：是早期的 TCP 拥塞控制算法，采用了慢启动、拥塞避免和超时重传的机制。每次发生丢包时，CWND 被重置为 1，进入慢启动阶段。

• Reno：在 Tahoe 的基础上，Reno 增加了快速重传和快速恢复机制，提高了在轻微拥塞情况下的恢复能力。

6. NewReno 算法

• 概述：NewReno 是 Reno 的改进版本，优化了部分丢包时的恢复过程。

• 工作原理：

  • 在快速重传阶段，如果有多个报文段丢失，NewReno 不会立即进入恢复阶段，而是保持在快速重传阶段，直到所有丢失的报文段都被重传完毕。这样可以避免多次进入恢复阶段，提高了传输效率。

7. 拥塞窗口回退

• 概述：当网络出现拥塞（如丢包或延迟增大），TCP 会回退 CWND 的值，从而减少传输速率。

• 工作原理：

  • 当检测到丢包后，TCP 会将 CWND 降低到 SSTHRESH 的值，然后重新进入拥塞避免阶段，逐步提高传输速率。

• 优点：通过降低传输速率，缓解了网络拥塞，减少了丢包率。

8. BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)

• 概述：BBR 是一种新的拥塞控制算法，不依赖于丢包率，而是基于带宽和 RTT 的估算来确定最优的发送速率。

• 工作原理：

  • BBR 通过测量网络的瓶颈带宽和最小 RTT 来动态调整发送速率，确保数据流量不会超过网络的承载能力，从而减少拥塞。

• 优点：BBR 在高带宽、低延迟网络中表现出色，能够更有效地利用可用带宽。

总结

TCP 的拥塞控制机制通过多种算法的结合，确保在不同网络条件下都能有效地调节传输速率，减少拥塞发生的概率，保障数据传输的可靠性和效率。各个阶段和算法相互配合，使得 TCP 能够在拥塞情况下迅速恢复并高效利用网络资源。