📘 TCP 可靠传输

1. 重传机制

1) 超时重传

1. 时间驱动，在发送数据时设置个定时器，如果期限内没收到接受者的ACK就会重新发送数据
2. 发生场景：
   • 数据包未送达对方手中
   • 数据包对方发出后，未到自己手中
3. 时间相关参数：
   • RTT 数据从发出到接收到对方回应的时间，包的往返时间
   • RTO 超时重传时间
4. RTO 时长设置：
   • 若 RTO 过长，则需要过很久才能发现丢包问题，影响效率
   • 若 RTO 过短，则可能数据没丢失，却认为数据发生了丢失，从而导致冗余的重发，增加网络堵塞，进而导致更多的超时 & 更多的重发，连锁反应
   • 理论上，RTO 应略大于 RTT 最合适
5. RTT & RTO 动态变化
   • 受到网络波动的影响，RTT & RTO 并非是固定值
   • Linux RTT 值取决于 该段时间内采样的 RTT 时间 & RTT 的波动范围，进行平滑处理得到
6. RTO 翻倍
   • 每当遇到一次超时重传后，系统会将下一次的超时时间间隔设置为之前的 2 倍
   • 遇到 2 次超时，则说明网络环境较差，不适合频繁发送数据
   • 因此可能会导致超时周期越来越长
7. 相关参数：
   • net.ipv4.tcp_retries2 在 TCP 连接建立的情况下，超时重传的最大次数
   • 内核还会结合 最大超时时间 来判定

2) 快速重传

1. 数据驱动
2. 发生场景：
   • 发送端接收到 3 个相同的 ACK 时，无需等待超时重传，直接返回接收端需要的 报文段
3. 为什么设置为 3 ？
   • 假设现在要发送 [x - 1, x, x + 1, x + 2] 这 4 个报文段，[x - 1] 已经成功发送，那么会出现以下几种情况：
     • [x- 1, x, x + 1, x + 2] ACK[1] = x
     • [x - 1, x, x + 2, x + 1] ACK[1] = x
     • [x - 1, x + 1, x, x + 2] ACK[2] = x
     • [x - 1, x + 1, x + 2, x] ACK[3] = x
     • [x - 1, x + 2, x, x + 1] ACK[2] = x
     • [x - 1, x + 2, x + 1, x] ACK[3] = x
     • [x - 1, x + 1, x + 2] ACK[3] = x
     • [x - 1, x + 2, x + 1] ACK[3] = x
   • 什么情况下会发生收到 3 个相同的 ACK，可以看出，一共有 4 种情况，4 种情况中有 2 种是发生了丢包，而一旦丢包，ACK 相同的次数必定 == 3
4. 存在的问题：
   • 当发生丢包时，是发送丢的这一个包，还是发送丢的这个包后面的所有包？

3) SACK 选择性确认

1. 原理：
   • 在 TCP 头部的选项中添加字段 SACK
   • SACK 中存放接收端已经收到了发送端传来的哪些数据
   • 通过这些信息，发送端在重传时，就可以有选择性的重传丢失的包
   • 若 ACK = 3000, SACK = 3200-3400，那么就表示接收方希望收到 3000 开始的数据包，SACK > 3000 就表示后面的部分 3200-3400 已经接收，需要重传 3000-3199 的数据
2. 所需环境：
   • 要支持 SACK，需要双方均支持才可以
   • Linux 中可通过参数 net.ipv4.tcp_sack 打开 | 关闭该功能
   • Linux 2.4 默认打开

4) D-SACK

1. 作用：
   • 告知发送方，哪些数据是重复发送的
   • 可以判断，数据是发送方发送到接收端时丢失，还是接收端回复给发送端时丢失
2. 原理：
   • 使用与 SACK 一样的报文格式
   • 接收端发送 ACK 时，ACK 为期望收到的发送方的序列号
   • 若 ACK = 3000, SACK = 1000-1200 那么就表示接收方 3000 之前的均已经收到，而 SACK < 3000 就表示 1000-1200 是多余的数据段，而非希望重传的数据
3. 相关参数：
   • Linux 中可通过参数 net.ipv4.tcp_dsack 打开 | 关闭该功能
   • Linux 2.4 默认打开

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2. 滑动窗口

1. 含义：
   • 只要的滑动窗口内的数据，无需等待一个数据发送完，收到 ACK 确认，在这段时间内还可以发送窗口内的其他数据
   • 窗口的本质是：
     • 操作系统开辟的一个缓存空间，发送方主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据
     • 如果按期收到确认应答，此时数据就可以从缓存区清除
2. 作用：
   • 提高传输效率
   • 即使中间有部分报文段的 ACK 丢失，也无影响，只要最后的 ACK 还在，这种模式叫做 “累计应答”
3. 窗口大小如何确定？
   • 窗口的大小由接收方决定
   • 接收方会告知发送方自己的缓冲区还可以接收多少数据，超过这个范围接收方就无法接收了
4. 发送窗口 & 接收窗口大小关系？
   • 接收窗口大小 ≈ 发送窗口大小

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3. 流量控制

1. 含义：
   • 让发送方可以根据接收方的接受能力控制发送的数据量
   • 发送方根据接收方的接收窗口大小进行流量控制
2. 窗口关闭情况：
   • 当接收方窗口 == 0 时，会阻止发送发继续发送数据给接收方，直到窗口大小非零
   • 潜在问题：
     • 造成死锁
     • 分析：
       • 接收方回 ACK 时，接收窗口 == 0
       • 当接收方处理完数据后，此时接收窗口非零，将这个 ACK 报文传送给发送方，让其继续发数据过来
       • 而这个 ACK 报文，正好丢失
       • 导致接收方一直等待发送方的新数据，而发送方没有收到 ACK，一直等待接收方的 ACK 报文，从而造成互相等待
   • TCP 如何解决？
     • TCP 为每个连接设有一个定时器
     • 当 TCP 任何一方收到另一方的零窗口通知时，该定时器启动
     • 定时发送窗口探测报文给另一方，而对方收到消息后，会回复自己目前能接收的窗口大小
     • 若仍 == 0 则计时器重新定时，定时时间到后，继续发送探测报文
     • 若 != 0 则死锁局面打破，本方不用继续等待，可以根据对方回复的窗口大小继续发送数据
     • 探测次数一般 == 3 次，每次 30 - 60 s，若 3 次过后，窗口仍 == 0，有的 TCP 会发 RST 报文中断连接
3. 窗口糊涂综合征：
   • 接收方只能接受很小的窗口长度数据，而发送方就发送了这么短的数据
   • 如何解决？
     • 避免接收方回复小窗口大小
       • 当接收方窗口长度 < min(MSS, 缓存空间 / 2) 时，直接回复 == 0，阻止发送发继续发送数据过来
     • 避免发送短数据
       • 使用 Nagle 算法进行延时处理，只有满足以下 2 个条件之一才可以：
         • 窗口大小 >= MSS && 可发送的数据 >= MSS
         • 收到之前发送数据的 ACK 确认
         • 默认打开
       • Nagle 算法 VS 延迟确认
         • 由于 Nagle 算法 在等待对方的 ACK 确认
         • 而 延迟确认 会导致 ACK 确认延迟发送，例如累积多少个 ACK 才发送 ACK，因此可能出现双方互相等待的问题
         • 因此 两者不可同时开启

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4. 拥塞控制

1) 作用

1. 流量控制只能确定接收方的接受能力，但不能知道当前网络的相关情况
2. 如果接收方接受窗口很大，但是网络很堵，那么
   • 发送方继续发送大量数据，而网络堵塞，导致数据传不过去
   • 此时触发重传机制，继续发送数据
   • 会导致网络更加阻塞，
   • 进而导致数据更加传不过去，
   • 形成恶性循环
3. 拥塞控制的作用就是为了避免发送方发送的数据填满整个网络

2) 拥塞窗口

• 拥塞窗口 [cwnd]
• 由发送方维护，根据网络的拥塞状况进行动态变化
• 发送窗口 [swnd] = Math.min(cwnd, rwnd)
• cwnd 变化规则：
  • 网络没有拥塞时，cwnd 单调递增
  • 网络出现拥塞时，cwnd 会减少
• 如何判断网络是否拥塞？
  • 根据发送方是否在指定时间内接收到 ACK 应答情况判断，如果发生了超时重传，那么说明网络可能出现了拥塞

3) 拥塞控制算法

① 慢开始

• TCP 连接刚建立后，数据包的数量一点点增大，呈指数级增长
• 发送方每收到一个 ACK，cwnd ++
• 慢启动门限 [ssthresh]：
  • cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法
  • cwnd >= ssthresh 时，使用拥塞避免算法
  • ssthresh default == 65536 Byte

② 拥塞避免

• 发生场景：
  • 慢启动后， cwnd >= ssthresh
• 规则：
  • 每收到一个 ACK，cwnd += 1/cwnd，使得 cwnd 保持线性增大
• 拥塞避免阶段 cwnd 虽然增长速度变慢，但也是增长，因此增长到一定阶段后，就会造成网络拥塞

③ 快重传

• 发生场景：
  • 网络出现拥塞，就会发生数据包的丢包 | 延时，进而触发重传机制
• 超时重传
  • ssthresh = cwnd / 2
  • cwnd 变为初始值，假设 = 1，Linux 的 cwnd 初始值 = 10
  • 这时就会触发慢启动过程
• 快速重传
  • cwnd = cwnd / 2
  • ssthresh = cwnd
  • 这时就会触发快恢复过程

④ 快恢复

• cwnd = ssthresh + 3
• 重传丢失的数据包
• 若再收到重复的 ACK，cwnd ++
• 若收到新的 ACK，cwnd = ssthresh，再次进入拥堵避免阶段
  • 之前 cwnd = ssthresh + 3，现在 cwnd = ssthresh 可以看出 cwnd 窗口变小了

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5. 序列号 & 确认号 & 校验和