考研408--计算机网络--day11--TCP的可靠传输、流量控制及拥塞控制

（以下内容全部出自上述课程）

可靠传输&流量控制
- [1. 确认号、接收窗口大小](#1. 确认号、接收窗口大小)
- [2. TCP传输的底层原理](#2. TCP传输的底层原理)
- [3. 累积确认](#3. 累积确认)
- [4. 捎带确认](#4. 捎带确认)
- [5. 超时重传机制](#5. 超时重传机制)
- [6. 快重传机制、立即确认机制](#6. 快重传机制、立即确认机制)
- [7. 小结](#7. 小结)
拥塞控制
- [1. 慢开始、拥塞避免](#1. 慢开始、拥塞避免)
- - [1.1 专有名词](#1.1 专有名词)
  - [1.2 考题特点](#1.2 考题特点)
  - [1.3 过程分析](#1.3 过程分析)
- [2. 快重传、快恢复](#2. 快重传、快恢复)

可靠传输&流量控制

回顾可见：TCP报文段

1. 确认号、接收窗口大小

大前提：

发送和接收是一个来回，发送的seq和接收的ack是相互关联的（自己的ack是接收的对面数据的seq）。
rwnd：指的是自己的接收缓冲区，每次发送过去的都是自己接收缓冲区（剩余）的大小。
发送窗口 是根据接收方 的接收缓冲区来变化的

复习：

序号seq ：用于标记数据部分第一个字节在原始字节流中的位置，发送方自己设置

握手1、握手2不能携带数据，但是要消耗一个序号

握手3如果不携带数据就不消耗序号
握手1&握手2：发送和接收的初始seq号可以不同（发送是发送的，接收是接收的）
握手2：接收方被问了才会告诉自己的rwnd大小
握手3：发送方告知对方自己的rwnd大小
服务器收到3个字节数据 ：看下一张底层原理的图

服务器收到3个字节数据：
seq=600：第一次发送信息，初始序号从600开始
ack=200：服务器一直没给客户发送信息，所以一直是初始序号
rwnd=10：发送方自己的接收缓冲池是10B

服务器返回最新确认号、最新接收窗口大小：

seq=200：服务器一直没给客户发信息，所以一直是初始序号
ack=603：发送的初始序号是600，+3B就是截止到603都收到了
rwnd=5：握手2的时候说过服务器自己窗口是8，现在接收了3B，-3B就是还剩5B的位置
发送窗口=5：因为上一个阶段发送了3B，接收缓冲区只有5B的位置，所以发送缓冲区最多也只能一次性发5B的数据
10B发送缓冲区：发送方这边先把这个给装满，但是只先发送了3B，发送完了的数据就踢出去，继续往里面装入数据
接收缓冲区8B：收到了发送过来的3B

ps：其余不懂得名词可见下方的TCP传输的底层原理（就是下一小节）

2. TCP传输的底层原理

每个阶段的底层原理都会按照侧重点进行对比理解，所以这里只是放一下总体图：

电脑：客户端，就是你自己、IP（你的收货地址）
服务器：就是你用的软件的服务器，需要响应你的对象（给你发货的商家）、IP（商家的发货地址）
应用层：两边的端口号（快递地址）、带起始序号的待发送数据（快递=数组）、即将接收的数据的预留位置（空地儿=空数组）
传输层：Socket套接字（信息整合=快递单）
发送缓冲区：以少的一方为主（一个8一个10那就是8），满了才发过去（装一车货才会去送快递，要不然来来回回跑）
接收缓冲区：以少的一方为主，满了或者连续就可以送给应用层（你收快递，有一点儿收一点儿，不一定一个时间到）
窗口：就是能装入字节更少的一方缓冲区的大小，比如图中最少的是8B<10B，那实际上的窗口就都是8B
（虽然发送方说自己是10B，但是接收方是8B，所以它最多也只能一起发送8B大小的数据）

我们有微信，发送消息需要传到微信服务器上，别人也有微信，他们发送消息也需要传到微信服务器上，
微信服务器只有一个绑定端口号，所以一个端口可以建立多个TCP连接，可以给我发送消息，也可以给你发送消息。

3. 累积确认

累积确认 ：收到多个连续报文段，只返回一个ACK

服务器连续收到两个报文段：
seq=603&seq=605：发送方连续发送了两个2B的数据
对应图中就是3&4、5&6：可能5&6先到达，但是因为seq=605，所以也可以很正确地找到自己的位置，将还未到达的数据空出来
ack=200：服务器一直没给客户发送信息，所以一直是初始序号
rwnd=10 ：客户一直没接收信息，所以接收缓冲区一直是空的（10B）

累积确认：
seq=200：服务器一直没给客户发信息，所以一直是初始序号
ack=607：第一次3B+二三次2B*2=7B，+初始序号600，刚好是截止607之前的数据都收到了
rwnd=1：接收缓冲区8B-已经接收数据7B=1B剩余空间
发送窗口=1 ：根据对方接收缓冲区进行调整

又接收1B数据后，服务器的接收缓冲区满了，就需要交给应用层，存进空数组里（把快递放进自己预留的位置上）
所以此时的接收缓冲区又变回原来的8B了
发送方的发送窗口根据对方的接收缓冲区变化，也变回8B了

4. 捎带确认

捎带确认 ：服务器刚好有数据要发送，就连带着确认刚接收的数据，顺便儿把自己要发送的数据也带上
简单记 ：确认+数据，一起打包发送

服务器收到2B，可以先不交付给应用层：

seq=608：现在为止，发送序号为608的数据
ack=200：服务器一直没给客户发送信息，所以一直维持初始序号
rwnd=10：因为没有接收的数据，所欲客户的接收缓冲区一直是10B

捎带确认：

seq=200：服务器从序号为200的数据，开始给客户发送数据
ack=610：表示对方发送的数据截止610号全部正确接收
rwnd=6：接收缓冲区8B-刚接收的数据2B=还剩的空间6B
数据5B：服务器把自己要发送的数据装入自己的发送缓冲区
发送窗口=8 ：服务器的发送缓冲区一共就8B

客户捎带确认6B数据：
seq=610：从序号610继续给服务器发送数据
ack=205：表示服务器给自己发送的数据截止205号全部正确接收
rwnd=5：自己的10B接收缓冲区-接收服务器的数据5B=还剩空间5B
数据6B：自己不但确认了，还要再发送6B数据过去
发送窗口=6 ：服务器接收缓冲区只有6B大小了，虽多一次发送6B数据

上述客户又给服务器发送了6B数据，刚好把服务器的接收缓冲区装满，直接发配应用层

缓冲区未满也可以按序交付给应用层：

图中可见从0~15都交付给应用层了，如果传来的按照顺序刚好是16、17，也可以直接交付给应用层

但如果是17、18，缺了个16就不是按照顺序了，所以就不可以直接交付应用层

5. 超时重传机制

每发出一个报文段，就会设置一个超时重传计时器

在计时器的时间内，如果一直每接收到对方发来的ack确认，发送方就会重传报文段，然后重置计时器

就算是接收方确实接收到了报文段，但是自己的ack段丢失了

发送方接收不到确认信息也会重传报文段

总之：怎样都不会漏报文段

6. 快重传机制、立即确认机制

ps：下图正确

一般情况下：

我们连续发送了4个报文段，但是只有第二个报文段没有被接收到
ack只会返回截止多少号之前的数据都接收到了
所以就只会回复第二个报文段之前的报文段接收到了，发送方就会重传后三个报文段
问题来了：我们后两个报文段已经收到了，但是它还是给我们发送了三个，就很浪费时间

所以！我们引入了快重传机制，搭配立即确认机制使用（一对连体婴）

我们只需要在接收到一个报文段之后，立即返回确认信息
这样如果只有第二个报文段没被接收到，就只有第二个报文段没有确认信息
发送方就知道只有这一个没被接收到，所以就只会重发第二个报文段

考点：

如果发送方收到三个确认号相同的冗余ACK，就立即重发对应的报文段
第一个ACK不属于冗余ACK，后面的才是冗余的ACK
简单记：发现连续四个确认号相同的ACK ，就立即重传

在第四个确认号相同的时刻立即重传：t3

7. 小结

拥塞控制

慢开始：严重拥塞
快重传：有点儿拥塞

1. 慢开始、拥塞避免

1.1 专有名词

cwnd （Congestion Window，拥塞窗口）
中文名 ：拥塞窗口
含义：TCP 发送方允许发送但还未被确认的数据量（以字节为单位）
通俗理解 ：相当于你手里能同时拿着多少个快递去投递。

cwnd 越大 → 可以发更多数据（效率高）

cwnd 越小 → 发得少（防止网络拥堵）
ssthresh （Slow Start Threshold，慢开始门限）
中文名 ：慢开始门限 / 拥塞控制阈值
含义：一个"警戒线"，决定使用哪种算法增长 cwnd
作用：

当 cwnd < ssthresh → 使用慢开始算法（指数增长）

当 cwnd >= ssthresh → 使用拥塞避免算法（线性增长）
慢开始 （Slow Start）
核心规则 ：每次收到一个 ACK，就让 cwnd 翻倍
特点：指数级增长

第 1 轮：cwnd = 1

第 2 轮：cwnd = 2

第 3 轮：cwnd = 4

第 4 轮：cwnd = 8

......直到达到 ssthresh
拥塞避免 （Congestion Avoidance）
核心规则 ：在一个 RTT 内，即使收到多个 ACK，也只让 cwnd += 1
特点：线性增长（缓慢爬升）

每过一个 RTT（往返时间），cwnd 增加 1

不再是指数增长，而是"稳扎稳打"
RTT （Round-Trip Time，往返时间）
含义：发送一个包，收到对应 ACK 所需的时间
通俗理解 ：你把快递寄出去，等对方签收后给你回信的时间
在图中的体现：横轴上的"传输轮次"就是按 RTT 分段的
网络拥塞 （Network Congestion）
含义：网络中的路由器或链路负载过高，导致丢包、延迟增加
触发条件：当 TCP 收到三个重复的 ACK 或超时重传时，认为发生了拥塞
乘法减小 （Multiplicative Decrease）
含义：当检测到拥塞时，将 ssthresh 和 cwnd 都减半
加法增大 （Additive Increase）
含义：在拥塞避免阶段，每经过一个 RTT，cwnd += 1
特点：缓慢提升吞吐量，避免再次引发拥塞

1.2 考题特点

发送窗口的上限=接收窗口和拥塞窗口中更小的一个

1.3 过程分析

最开始：cwnd翻倍地增长：1-->2-->4-->8-->16

16达到ssthresh，就必须变成一轮只能+1：16-->17-->18-->...-->24

24达到网络拥塞（超时重传的情况），直接把cwnd恢复为1，且ssthreah=cwnd/2=24/2=12

超时重传，一夜回到解放前且门槛更严格：1-->2-->4-->8-->12（到达ssthresh，被制裁了）

到达ssthresh：12-->13-->14-->...-->21

2. 快重传、快恢复

拥塞避免 （Congestion Avoidance）
核心规则 ：在一个 RTT 内，即使收到多个 ACK，也只让 cwnd += 1
特点：线性增长（缓慢爬升）

每过一个 RTT（往返时间），cwnd 增加 1

不再是指数增长，而是"稳扎稳打"
快重传：连续收到4个确认号相同的报文段，立即重传
快恢复算法 ：ssthresh=cwnd=cwnd/2，然后改为+1

3个冗余：24-->12-->13-->14-->...

注意：ssthresh不能小于2