傳輸層概

• 作用：傳輸層為它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)。

• 在OSI七層參考模型中，傳輸層是面向通信的最高層，也是用戶功能的最底層。

• 傳輸層兩大重要的功能：復(fù)用 和 分用。

  • 復(fù)用：在發(fā)送端，多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程公用一個(gè)傳輸層；

  • 分用：在接收端，傳輸層會(huì)根據(jù)端口號(hào)將數(shù)據(jù)分派給不同的應(yīng)用進(jìn)程。

• 和網(wǎng)絡(luò)層的區(qū)別：

  • 網(wǎng)絡(luò)層為不同主機(jī)提供通信服務(wù)，而傳輸層為不同主機(jī)的不同應(yīng)用提供通信服務(wù)。

  • 網(wǎng)絡(luò)層只對(duì)報(bào)文頭部進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，而傳輸層對(duì)整個(gè)報(bào)文進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。

UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）詳解

UDP的特點(diǎn)

1. UDP只在IP數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的基礎(chǔ)上增加了少量的功能：復(fù)用與分用、對(duì)整個(gè)報(bào)文的差錯(cuò)檢測(cè)。

2. UDP是無(wú)連接的

   通信前不需要建立連接，通信結(jié)束也無(wú)需釋放連接。

3. UDP是不可靠的

   它是盡力而為交付，不能確保每一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都送達(dá)。

4. UDP是面向報(bào)文的

   所謂『面向報(bào)文』就是指：UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?bào)文，且不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)作任何 拆分 和 拼接 操作。

   在發(fā)送端，應(yīng)用程序給傳輸層的UDP什么樣的數(shù)據(jù)，UDP不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行切分，只增加一個(gè)UDP頭并交給網(wǎng)絡(luò)層。

   在接收端，UDP收到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報(bào)后，去除IP數(shù)據(jù)報(bào)頭部后遍交給應(yīng)用層，不會(huì)作任何拼接操作。

5. UDP沒(méi)有擁塞控制

   UDP始終以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并不會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況對(duì)發(fā)送速率作調(diào)整。這種方式有利有弊。

   弊端：網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)有些報(bào)文可能會(huì)丟失，因此UDP不可靠。

   優(yōu)點(diǎn)：有些使用場(chǎng)景允許報(bào)文丟失，如：直播、語(yǔ)音通話，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，此時(shí)UDP還是很有用武之地的。

6. UDP支持一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多、多對(duì)一通信

   而TCP只支持一對(duì)一通信。

7. UDP首部開(kāi)銷(xiāo)小，只有8字節(jié)。

   而TCP頭部至少由20字節(jié)，相比于TCP要高效很多。

PS：?jiǎn)枺篣DP不可靠具體體現(xiàn)在哪些方面？數(shù)據(jù)報(bào)丟失？數(shù)據(jù)報(bào)順序？

UDP報(bào)文頭

• 源端口

• 目的端口

• 長(zhǎng)度：整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度

• 檢驗(yàn)和：整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的檢驗(yàn)和。

TCP（傳輸控制協(xié)議）詳解

TCP特點(diǎn)

1. TCP是面向連接的

   通信前需要建立連接，通信結(jié)束需要釋放連接。

2. TCP提供可靠交付服務(wù)

   所謂『可靠』指的是：TCP發(fā)送的數(shù)據(jù)無(wú)重復(fù)、無(wú)丟失、無(wú)錯(cuò)誤、與發(fā)送端順序一致。

3. TCP是面向字節(jié)流的

   所謂『面向字節(jié)流』指的是：TCP以字節(jié)為單位。雖然傳輸?shù)倪^(guò)程中數(shù)據(jù)被劃分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，但這只是為了方便傳輸，接收端最終接受到的數(shù)據(jù)將與發(fā)送端的數(shù)據(jù)一模一樣。

4. TCP提供全雙工通信

   所謂『全雙工通信』指的是：TCP的兩端既可以作為發(fā)送端，也可以作為接收端。

5. 一條TCP連接的兩端只能有兩個(gè)端點(diǎn)

   TCP只能提供點(diǎn)到點(diǎn)的通信，而UDP可以任意方式的通信。

TCP連接 與 套接字

• 什么是『TCP連接』？

  TCP連接是一種抽象的概念，表示一條可以通信的鏈路。每條TCP連接有且僅有兩個(gè)端點(diǎn)，表示通信的雙方。且雙發(fā)在任意時(shí)刻都可以作為發(fā)送者和接收者。

• 什么是『套接字』？

  一條TCP連接的兩端就是兩個(gè)套接字。套接字=IP地址: 端口號(hào)。因此，TCP連接=（套接字1，套接字2）=（IP1:端口號(hào)1，IP2:端口號(hào)2）

TCP頭部

TCP頭部長(zhǎng)度有20字節(jié)的固定部分，選項(xiàng)部分長(zhǎng)度不定，但最多40字節(jié)，因此TCP頭部在20-60字節(jié)之間。

1. 源端口 和 目的端口

   傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層一大重要區(qū)別就是傳輸層指定了數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往的應(yīng)用進(jìn)程，因此需要端口號(hào)標(biāo)識(shí)。

2. 序號(hào)

   當(dāng)前TCP數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)部分的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。我們知道，TCP是面向字節(jié)的，它會(huì)對(duì)發(fā)送的每一個(gè)字節(jié)進(jìn)行編號(hào)，而且不同數(shù)據(jù)報(bào)之間是連續(xù)編號(hào)的。

   由于本字段4字節(jié)，可以給[0,2^32-1]個(gè)字節(jié)進(jìn)行編號(hào)（大約4G），而且序號(hào)循環(huán)使用，當(dāng)發(fā)送完2^32-1個(gè)字節(jié)后，序號(hào)又從0開(kāi)始。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)2^32-1個(gè)字節(jié)被發(fā)送的時(shí)候，前面的字節(jié)早就發(fā)送成功了，因此序號(hào)可以循環(huán)使用。

3. 確認(rèn)號(hào)

   表示當(dāng)前主機(jī)作為接收端時(shí)，期望接收的下一個(gè)字節(jié)的編號(hào)是多少。也表示，當(dāng)前主機(jī)已經(jīng)正確接收的最后一個(gè)字節(jié)序號(hào)+1。

4. 數(shù)據(jù)偏移（報(bào)文長(zhǎng)度）

   它表明了數(shù)據(jù)報(bào)頭部的長(zhǎng)度。

5. 保留字段

6. 標(biāo)識(shí)符

   TCP有7種標(biāo)識(shí)符，用于表示TCP報(bào)文的性質(zhì)。它們只能為0或1。

• URG=1
  當(dāng)URG字段被置1，表示本數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分包含緊急信息，此時(shí)緊急指針有效。緊急數(shù)據(jù)一定位于當(dāng)前數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的最前面，緊急指針標(biāo)明了緊急數(shù)據(jù)的尾部。如control+c：這個(gè)命令要求操作系統(tǒng)立即停止當(dāng)前進(jìn)程。此時(shí)，這條命令就會(huì)存放在數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的開(kāi)頭，并由緊急指針標(biāo)識(shí)命令的位置，并URG字段被置1。

• ACK=1
  ACK被置1后確認(rèn)號(hào)字段才有效。此外，TCP規(guī)定，在連接建立后傳送的所有報(bào)文段都必須把ACK置1。

• PSH=1
  當(dāng)接收方收到PSH=1的報(bào)文后，會(huì)立即將數(shù)據(jù)交付給應(yīng)用程序，而不會(huì)等到緩沖區(qū)滿后再提交。一些交互式應(yīng)用需要這樣的功能，降低命令的響應(yīng)時(shí)間。

• RST=1
  當(dāng)該值為1時(shí)，表示當(dāng)前TCP連接出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，必須要釋放重連。

• SYN=1
  SYN在建立連接時(shí)使用。當(dāng)SYN=1，ACK=0時(shí)，表示當(dāng)前報(bào)文段是一個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文。當(dāng)SYN=1，ACK=1時(shí)，表示當(dāng)前報(bào)文段是一個(gè)同意建立連接的應(yīng)答報(bào)文。

• FIN=1
  FIN=1表示此報(bào)文段是一個(gè)釋放連接的請(qǐng)求報(bào)文。

1. 接收窗口大小

   該字段用于實(shí)現(xiàn)TCP的流量控制。它表示當(dāng)前接收方的接收窗口的剩余容量，發(fā)送方收到該值后會(huì)將發(fā)送窗口調(diào)整成該值的大小。發(fā)送窗口的大小又決定了發(fā)送速率，所以接收方通過(guò)設(shè)置該值就可以控制發(fā)送放的發(fā)送速率。發(fā)送方每收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都要調(diào)整當(dāng)前的發(fā)送窗口。

2. 檢驗(yàn)和

   用于接收端檢驗(yàn)整個(gè)數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中是否出錯(cuò)。

3. 緊急指針

   用于標(biāo)識(shí)緊急數(shù)據(jù)的尾部。

4. 選項(xiàng)字段

   上述字段都是每個(gè)TCP頭部必須要有的，而選項(xiàng)字段是可選的，且長(zhǎng)度可變，最長(zhǎng)40字節(jié)。
   最常用的選項(xiàng)字段為MMS：最大報(bào)文長(zhǎng)度。

TCP三次握手

PS：TCP協(xié)議中，主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求的一端稱為『客戶端』，被動(dòng)連接的一端稱為『服務(wù)端』。不管是客戶端還是服務(wù)端，TCP連接建立完后都能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

起初，服務(wù)器和客戶端都為CLOSED狀態(tài)。在通信開(kāi)始前，雙方都得創(chuàng)建各自的傳輸控制塊（TCB）。
服務(wù)器創(chuàng)建完TCB后遍進(jìn)入LISTEN狀態(tài)，此時(shí)準(zhǔn)備接收客戶端發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求。

第一次握手

客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段。該報(bào)文段的頭部中SYN=1，ACK=0，seq=x。請(qǐng)求發(fā)送后，客戶端便進(jìn)入SYN-SENT狀態(tài)。

• PS1：SYN=1，ACK=0表示該報(bào)文段為連接請(qǐng)求報(bào)文。

• PS2：x為本次TCP通信的字節(jié)流的初始序號(hào)。
  TCP規(guī)定：SYN=1的報(bào)文段不能有數(shù)據(jù)部分，但要消耗掉一個(gè)序號(hào)。

第二次握手

服務(wù)端收到連接請(qǐng)求報(bào)文段后，如果同意連接，則會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1。該應(yīng)答發(fā)送完成后便進(jìn)入SYN-RCVD狀態(tài)。

• PS1：SYN=1，ACK=1表示該報(bào)文段為連接同意的應(yīng)答報(bào)文。

• PS2：seq=y表示服務(wù)端作為發(fā)送者時(shí)，發(fā)送字節(jié)流的初始序號(hào)。

• PS3：ack=x+1表示服務(wù)端希望下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送序號(hào)從x+1開(kāi)始的字節(jié)。

第三次握手

當(dāng)客戶端收到連接同意的應(yīng)答后，還要向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段，表示：服務(wù)端發(fā)來(lái)的連接同意應(yīng)答已經(jīng)成功收到。該報(bào)文段的頭部為：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。

客戶端發(fā)完這個(gè)報(bào)文段后便進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，服務(wù)端收到這個(gè)應(yīng)答后也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，此時(shí)連接的建立完成！

為什么連接建立需要三次握手，而不是兩次握手？

防止失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段被服務(wù)端接收，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

PS：失效的連接請(qǐng)求：若客戶端向服務(wù)端發(fā)送的連接請(qǐng)求丟失，客戶端等待應(yīng)答超時(shí)后就會(huì)再次發(fā)送連接請(qǐng)求，此時(shí)，上一個(gè)連接請(qǐng)求就是『失效的』。

若建立連接只需兩次握手，客戶端并沒(méi)有太大的變化，仍然需要獲得服務(wù)端的應(yīng)答后才進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，而服務(wù)端在收到連接請(qǐng)求后就進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)。此時(shí)如果網(wǎng)絡(luò)擁塞，客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求遲遲到不了服務(wù)端，客戶端便超時(shí)重發(fā)請(qǐng)求，如果服務(wù)端正確接收并確認(rèn)應(yīng)答，雙方便開(kāi)始通信，通信結(jié)束后釋放連接。此時(shí)，如果那個(gè)失效的連接請(qǐng)求抵達(dá)了服務(wù)端，由于只有兩次握手，服務(wù)端收到請(qǐng)求就會(huì)進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，等待發(fā)送數(shù)據(jù)或主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。但此時(shí)的客戶端早已進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，服務(wù)端將會(huì)一直等待下去，這樣浪費(fèi)服務(wù)端連接資源。

TCP四次揮手

TCP連接的釋放一共需要四步，因此稱為『四次揮手』。我們知道，TCP連接是雙向的，因此在四次揮手中，前兩次揮手用于斷開(kāi)一個(gè)方向的連接，后兩次揮手用于斷開(kāi)另一方向的連接。

第一次揮手

若A認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送完成，則它需要向B發(fā)送連接釋放請(qǐng)求。該請(qǐng)求只有報(bào)文頭，頭中攜帶的主要參數(shù)為：FIN=1，seq=u。此時(shí)，A將進(jìn)入FIN-WAIT-1狀態(tài)。

• PS1：FIN=1表示該報(bào)文段是一個(gè)連接釋放請(qǐng)求。

• PS2：seq=u，u-1是A向B發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。

第二次揮手

B收到連接釋放請(qǐng)求后，會(huì)通知相應(yīng)的應(yīng)用程序，告訴它A向B這個(gè)方向的連接已經(jīng)釋放。此時(shí)B進(jìn)入CLOSE-WAIT狀態(tài)，并向A發(fā)送連接釋放的應(yīng)答，其報(bào)文頭包含：ACK=1，seq=v，ack=u+1。

• PS1：ACK=1：除TCP連接請(qǐng)求報(bào)文段以外，TCP通信過(guò)程中所有數(shù)據(jù)報(bào)的ACK都為1，表示應(yīng)答。

• PS2：seq=v，v-1是B向A發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。

• PS3：ack=u+1表示希望收到從第u+1個(gè)字節(jié)開(kāi)始的報(bào)文段，并且已經(jīng)成功接收了前u個(gè)字節(jié)。

A收到該應(yīng)答，進(jìn)入FIN-WAIT-2狀態(tài)，等待B發(fā)送連接釋放請(qǐng)求。

第二次揮手完成后，A到B方向的連接已經(jīng)釋放，B不會(huì)再接收數(shù)據(jù)，A也不會(huì)再發(fā)送數(shù)據(jù)。但B到A方向的連接仍然存在，B可以繼續(xù)向A發(fā)送數(shù)據(jù)。

第三次揮手

當(dāng)B向A發(fā)完所有數(shù)據(jù)后，向A發(fā)送連接釋放請(qǐng)求，請(qǐng)求頭：FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1。B便進(jìn)入LAST-ACK狀態(tài)。

第四次揮手

A收到釋放請(qǐng)求后，向B發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí)A進(jìn)入TIME-WAIT狀態(tài)。該狀態(tài)會(huì)持續(xù)2MSL時(shí)間，若該時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有B的重發(fā)請(qǐng)求的話，就進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，撤銷(xiāo)TCB。當(dāng)B收到確認(rèn)應(yīng)答后，也便進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，撤銷(xiāo)TCB。

為什么A要先進(jìn)入TIME-WAIT狀態(tài)，等待2MSL時(shí)間后才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)？

為了保證B能收到A的確認(rèn)應(yīng)答。若A發(fā)完確認(rèn)應(yīng)答后直接進(jìn)入CLOSED狀態(tài)，那么如果該應(yīng)答丟失，B等待超時(shí)后就會(huì)重新發(fā)送連接釋放請(qǐng)求，但此時(shí)A已經(jīng)關(guān)閉了，不會(huì)作出任何響應(yīng)，因此B永遠(yuǎn)無(wú)法正常關(guān)閉。

TCP可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

TCP的可靠性表現(xiàn)在：它向應(yīng)用層提供的數(shù)據(jù)是 無(wú)差錯(cuò)的、有序的、無(wú)丟失的，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是：TCP最終遞交給應(yīng)用層的數(shù)據(jù)和發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)是一模一樣的。TCP采用了流量控制、擁塞控制、連續(xù)ARQ等技術(shù)來(lái)保證它的可靠性。

PS：網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元為『數(shù)據(jù)報(bào)』，傳輸層的數(shù)據(jù)單元為『報(bào)文段』，但為了方便起見(jiàn)，可以統(tǒng)稱為『分組』。

停止等待協(xié)議（ARQ協(xié)議）

TCP保證其可靠性采用的是更為復(fù)雜的滑動(dòng)窗口協(xié)議，但停止等待協(xié)議是它的簡(jiǎn)化版，為了方便理解，這里先介紹停止等待協(xié)議。

• AQR協(xié)議

  ARQ(Automatic Repeat reQuest)自動(dòng)重傳請(qǐng)求。顧名思義，當(dāng)請(qǐng)求失敗時(shí)它會(huì)自動(dòng)重傳，直到請(qǐng)求被正確接收為止。這種機(jī)制保證了每個(gè)分組都能被正確接收。停止等待協(xié)議是一種ARQ協(xié)議。

• 停止等待協(xié)議的原理

  • 無(wú)差錯(cuò)的情況

    A向B每發(fā)送一個(gè)分組，都要停止發(fā)送，等待B的確認(rèn)應(yīng)答；A只有收到了B的確認(rèn)應(yīng)答后才能發(fā)送下一個(gè)分組。

  • 分組丟失和出現(xiàn)差錯(cuò)的情況

    發(fā)送者擁有超時(shí)計(jì)時(shí)器。每發(fā)送一個(gè)分組便會(huì)啟動(dòng)超時(shí)計(jì)時(shí)器，等待B的應(yīng)答。若超時(shí)仍未收到應(yīng)答，則A會(huì)重發(fā)剛才的分組。

    分組出現(xiàn)差錯(cuò)：若B收到分組，但通過(guò)檢查和字段發(fā)現(xiàn)分組在運(yùn)輸途中出現(xiàn)差錯(cuò)，它會(huì)直接丟棄該分組，并且不會(huì)有任何其他動(dòng)作。A超時(shí)后便會(huì)重新發(fā)送該分組，直到B正確接收為止。

    分組丟失：若分組在途中丟失，B并沒(méi)有收到分組，因此也不會(huì)有任何響應(yīng)。當(dāng)A超時(shí)后也會(huì)重傳分組，直到正確接收該分組的應(yīng)答為止。

    綜上所述：當(dāng)分組丟失 或 出現(xiàn)差錯(cuò) 的情況下，A都會(huì)超時(shí)重傳分組。

  • 應(yīng)答丟失 和 應(yīng)答遲到 的情況

    TCP會(huì)給每個(gè)字節(jié)都打上序號(hào)，用于判斷該分組是否已經(jīng)接收。

    應(yīng)答丟失：若B正確收到分組，并已經(jīng)返回應(yīng)答，但應(yīng)答在返回途中丟失了。此時(shí)A也收不到應(yīng)答，  從而超時(shí)重傳。緊接著B(niǎo)又收到了該分組。接收者根據(jù)序號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前收到的分組是否已經(jīng)接收，若已接收則直接丟棄，并補(bǔ)上一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答。

    應(yīng)答遲到：若由于網(wǎng)絡(luò)擁塞，A遲遲收不到B發(fā)送的應(yīng)答，因此會(huì)超時(shí)重傳。B收到該分組后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)接收，便丟棄該分組，并向A補(bǔ)上確認(rèn)應(yīng)答。A收到應(yīng)答后便繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)分組。但經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間后，那個(gè)失效的應(yīng)答最終抵達(dá)了A，此時(shí)A可根據(jù)序號(hào)判斷該分組已經(jīng)接收，此時(shí)只需簡(jiǎn)單丟棄即可。

• 停止等待協(xié)議的注意點(diǎn)

  • 每發(fā)送完一個(gè)分組，該分組必須被保留，直到收到確認(rèn)應(yīng)答為止。

  • 必須給每個(gè)分組進(jìn)行編號(hào)。以便按序接收，并判斷該分組是否已被接收。

  • 必須設(shè)置超時(shí)計(jì)時(shí)器。每發(fā)送一個(gè)分組就要啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，超時(shí)就要重發(fā)分組。

  • 計(jì)時(shí)器的超時(shí)時(shí)間要大于應(yīng)答的平均返回時(shí)間，否則會(huì)出現(xiàn)很多不必要的重傳，降低傳輸效率。但超時(shí)時(shí)間也不能太長(zhǎng)。

滑動(dòng)窗口協(xié)議（連續(xù)ARQ協(xié)議）

• 連續(xù)ARQ協(xié)議

  在ARQ協(xié)議發(fā)送者每次只能發(fā)送一個(gè)分組，在應(yīng)答到來(lái)前必須等待。而連續(xù)ARQ協(xié)議的發(fā)送者擁有一個(gè)發(fā)送窗口，發(fā)送者可以在沒(méi)有得到應(yīng)答的情況下連續(xù)發(fā)送窗口中的分組。這樣降低了等待時(shí)間，提高了傳輸效率。

• 累計(jì)確認(rèn)

  在連續(xù)ARQ協(xié)議中，接收者也有個(gè)接收窗口，接收者并不需要每收到一個(gè)分組就返回一個(gè)應(yīng)答，可以連續(xù)收到分組之后統(tǒng)一返回一個(gè)應(yīng)答。這樣能節(jié)省流量。TCP頭部的ack字段就是用來(lái)累計(jì)確認(rèn)，它表示已經(jīng)確認(rèn)的字節(jié)序號(hào)+1，也表示期望發(fā)送者發(fā)送的下一個(gè)分組的起始字節(jié)號(hào)。

• 發(fā)送窗口
  

  發(fā)送窗口的大小由接收窗口的剩余大小決定。接收者會(huì)把當(dāng)前接收窗口的剩余大小寫(xiě)入應(yīng)答TCP報(bào)文段的頭部，發(fā)送者收到應(yīng)答后根據(jù)該值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞情況設(shè)置發(fā)送窗口的大小。發(fā)送窗口的大小是不斷變化的。發(fā)送窗口由三個(gè)指針構(gòu)成：

  發(fā)送者每收到一個(gè)應(yīng)答，后沿就可以向前移動(dòng)指定的字節(jié)。此時(shí)若窗口大小仍然沒(méi)變，前沿也可以向前移動(dòng)指定字節(jié)。當(dāng)p2和前沿重合時(shí)，發(fā)送者必須等待確認(rèn)應(yīng)答。

  • p1
    p1指向發(fā)送窗口的后沿，它后面的字節(jié)表示已經(jīng)發(fā)送且已收到應(yīng)答。

  • p2
    p2指向尚未發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)。p1-p2間的字節(jié)表示已經(jīng)發(fā)送，但還沒(méi)收到確認(rèn)應(yīng)答。這部分的字節(jié)仍需保留，因?yàn)榭赡苓€要超時(shí)重發(fā)。p2-p3間的字節(jié)表示可以發(fā)送，但還沒(méi)有發(fā)送的字節(jié)。

  • p3
    p3指向發(fā)送窗口的前沿，它前面的字節(jié)尚未發(fā)送，且不允許發(fā)送。

• 接收窗口

  

• 接收者收到的字節(jié)會(huì)存入接收窗口，接收者會(huì)對(duì)已經(jīng)正確接收的有序字節(jié)進(jìn)行累計(jì)確認(rèn)，發(fā)送完確認(rèn)應(yīng)答后，接收窗口就可以向前移動(dòng)指定字節(jié)。

  如果某些字節(jié)并未按序收到，接收者只會(huì)確認(rèn)最后一個(gè)有序的字節(jié)，從而亂序的字節(jié)就會(huì)被重新發(fā)送。

• 連續(xù)ARQ的注意點(diǎn)

1. 同一時(shí)刻發(fā)送窗口的大小并不一定和接收窗口一樣大。雖然發(fā)送窗口的大小是根據(jù)接收窗口的大小來(lái)設(shè)定的，但應(yīng)答在網(wǎng)絡(luò)中傳輸是有時(shí)間的，有可能t1時(shí)間接收窗口大小為m，但當(dāng)確認(rèn)應(yīng)答抵達(dá)發(fā)送者時(shí)，接收窗口的大小已經(jīng)發(fā)生了變化。此外發(fā)送窗口的大小還隨網(wǎng)絡(luò)擁塞情況影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，發(fā)送窗口將被調(diào)小。

2. TCP標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定未按序到達(dá)的字節(jié)的處理方式。但TCP一般都會(huì)緩存這些字節(jié)，等缺少的字節(jié)到達(dá)后再交給應(yīng)用層處理。這比直接丟棄亂序的字節(jié)要節(jié)約帶寬。

3. TCP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收方必須要有累計(jì)確認(rèn)功能。接收方可以對(duì)多個(gè)TCP報(bào)文段同時(shí)確認(rèn)，但不能拖太長(zhǎng)時(shí)間，一般是0.5S以內(nèi)。此外，TCP允許接收者在有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候捎帶上確認(rèn)應(yīng)答。但這種情況一般較少，因?yàn)橐话愫苌儆袃蓚€(gè)方向都要發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。

流量控制

• 什么是流量控制？

  如果發(fā)送者發(fā)送過(guò)快，接收者來(lái)不及接收，那么就會(huì)有分組丟失。為了避免分組丟失，控制發(fā)送者的發(fā)送速度，使得接收者來(lái)得及接收，這就是流量控制。

• 流量控制的目的？

  流量控制根本目的是防止分組丟失，它是構(gòu)成TCP可靠性的一方面。

• 如何實(shí)現(xiàn)流量控制？

  由滑動(dòng)窗口協(xié)議（連續(xù)ARQ協(xié)議）實(shí)現(xiàn)。滑動(dòng)窗口協(xié)議既保證了分組無(wú)差錯(cuò)、有序接收，也實(shí)現(xiàn)了流量控制。

• 流量控制引發(fā)的死鎖

  當(dāng)發(fā)送者收到了一個(gè)窗口為0的應(yīng)答，發(fā)送者便停止發(fā)送，等待接收者的下一個(gè)應(yīng)答。但是如果這個(gè)窗口不為0的應(yīng)答在傳輸過(guò)程丟失，發(fā)送者一直等待下去，而接收者以為發(fā)送者已經(jīng)收到該應(yīng)答，等待接收新數(shù)據(jù)，這樣雙方就相互等待，從而產(chǎn)生死鎖。

• 持續(xù)計(jì)時(shí)器

  為了避免流量控制引發(fā)的死鎖，TCP使用了持續(xù)計(jì)時(shí)器。每當(dāng)發(fā)送者收到一個(gè)零窗口的應(yīng)答后就啟動(dòng)該計(jì)時(shí)器。時(shí)間一到便主動(dòng)發(fā)送報(bào)文詢問(wèn)接收者的窗口大小。若接收者仍然返回零窗口，則重置該計(jì)時(shí)器繼續(xù)等待；若窗口不為0，則表示應(yīng)答報(bào)文丟失了，此時(shí)重置發(fā)送窗口后開(kāi)始發(fā)送，這樣就避免了死鎖的產(chǎn)生。

擁塞控制

• 擁塞控制 和 流量控制 的區(qū)別？

  PS：擁塞控制是針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言的，它是防止往網(wǎng)絡(luò)中寫(xiě)入太多分組，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況；而流量控制是針對(duì)接收者的，它是通過(guò)控制發(fā)送者的發(fā)送速度保證接收者能夠來(lái)得及接收。

1. 擁塞控制：擁塞控制是作用于網(wǎng)絡(luò)的，它是防止過(guò)多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大的情況；

2. 流量控制：流量控制是作用于接收者的，它是控制發(fā)送者的發(fā)送速度從而使接收者來(lái)得及接收。

擁塞控制的目的？

1. 緩解網(wǎng)絡(luò)壓力

2. 保證分組按時(shí)到達(dá)

慢開(kāi)始算法 和 擁塞避免算法

• 加法增加：指的是擁塞避免算法，使得發(fā)送窗口以線性的方式增長(zhǎng)；

• 乘法減?。褐傅氖遣还墚?dāng)前正使用慢開(kāi)始算法還是擁塞避免算法，只要發(fā)生擁塞時(shí)，慢開(kāi)始門(mén)限將會(huì)變成當(dāng)前窗口的一半。

• 發(fā)送方維護(hù)一個(gè)發(fā)送窗口，發(fā)送窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況和接收窗口的大小，發(fā)送窗口是動(dòng)態(tài)變化的。

• 發(fā)送方還維護(hù)一個(gè)慢開(kāi)始門(mén)限

• 算法的具體過(guò)程：

• 慢開(kāi)始算法的作用：慢開(kāi)始算法將發(fā)送窗口從小擴(kuò)大，而且按指數(shù)級(jí)擴(kuò)大，從而避免一開(kāi)始就往網(wǎng)絡(luò)中注入過(guò)多的分組從而導(dǎo)致?lián)砣凰鼘⒋翱诼龜U(kuò)大的過(guò)程其實(shí)也在探測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況的過(guò)程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)擁塞時(shí)，及時(shí)降低發(fā)送速度，從而減緩網(wǎng)絡(luò)擁塞。

• 擁塞避免算法的作用：擁塞避免算法使發(fā)送窗口以線性方式增長(zhǎng)，而非指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從而使網(wǎng)絡(luò)更加不容易發(fā)生擁塞。

• AIMD算法（加法增大乘法減小算法）。慢開(kāi)始算法 和 擁塞避免算法 還有個(gè)名稱叫做『加法增大乘法減小算法』。

1. 通信開(kāi)始時(shí)，發(fā)送方的發(fā)送窗口設(shè)為1，并發(fā)送第一個(gè)分組M1；

2. 接收方收到M1后，返回確認(rèn)應(yīng)答，此時(shí)發(fā)送方發(fā)送窗口擴(kuò)大兩倍，并發(fā)送M2、M3；（即，發(fā)送方每次收到確認(rèn)應(yīng)答后，都將發(fā)送窗口設(shè)為當(dāng)前值的兩倍）

3. 若發(fā)送窗口>慢開(kāi)始門(mén)限，則使用擁塞避免算法，每次收到確認(rèn)應(yīng)答后都將發(fā)送窗口+1；

4. 若發(fā)送方出現(xiàn)了超時(shí)重傳，則表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，此時(shí)：
   a）慢開(kāi)始門(mén)限設(shè)為當(dāng)前發(fā)送窗口的一半
   b）發(fā)送窗口設(shè)為1
   c）啟用擁塞避免算法

   PS：發(fā)送超時(shí)重傳時(shí)，發(fā)送窗口有可能已經(jīng)超過(guò)了慢開(kāi)始門(mén)限，也有可能還沒(méi)超過(guò)；此時(shí)不管何種情況，都一律啟用擁塞避免算法，并執(zhí)行上述三步操作！

1. 發(fā)送窗口 < 慢開(kāi)始門(mén)限：使用慢開(kāi)始算法

2. 發(fā)送窗口 > 慢開(kāi)始門(mén)限：使用擁塞避免算法

3. 發(fā)送窗口 = 慢開(kāi)始門(mén)限：使用慢開(kāi)始算法或擁塞避免算法

快重傳算法 和 快恢復(fù)算法

• 上述慢開(kāi)始算法和擁塞避免算法能保證網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，而快重傳和快恢復(fù)是一種擁塞預(yù)防的方式，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)可能尚未出現(xiàn)擁塞，但已經(jīng)有擁塞的征兆，因此得作出一些預(yù)防措施。

• 快重傳原理：因?yàn)門(mén)CP具有累計(jì)確認(rèn)的能力，因此接收者收到一個(gè)分組的時(shí)候不會(huì)立即發(fā)出應(yīng)答，可能需要等待收到多個(gè)分組之后再同一發(fā)出累計(jì)確認(rèn)。但快重傳算法就要求，接收者如果接收到一個(gè)亂序的分組的話，就必須立即發(fā)出前一個(gè)正確分組的確認(rèn)應(yīng)答，這樣能讓發(fā)送者盡早地知道有一個(gè)分組可能丟失。

• 快恢復(fù)原理：當(dāng)發(fā)送者收到同一個(gè)分組的三個(gè)確認(rèn)應(yīng)答后，就基本可以判斷這個(gè)分組已經(jīng)丟失了；這時(shí)候無(wú)需等待超時(shí)，直接執(zhí)行『乘法減小加法增大』：

1. 將慢開(kāi)始門(mén)限減半

2. 將發(fā)送窗口減半（不設(shè)為1）

3. 使用擁塞避免算法

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