艾銻無(wú)限為您整理：IP，你必知必會(huì)的十個(gè)問(wèn)題

2020-02-14 17:11 作者：艾銻無(wú)限 瀏覽量：

 
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艾銻無(wú)限為您整理：TCP/IP，你必知必會(huì)的十個(gè)問(wèn)題

 
本文整理了一些TCP/IP協(xié)議簇中需要必知必會(huì)的十大問(wèn)題，既是面試高頻問(wèn)題，又是程序員必備基礎(chǔ)素養(yǎng)。

一、TCP/IP模型

TCP/IP協(xié)議模型(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，包含了一系列構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是Internet的核心協(xié)議。

基于TCP/IP的參考模型將協(xié)議分成四個(gè)層次，它們分別是鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。下圖表示TCP/IP模型與OSI模型各層的對(duì)照關(guān)系。

TCP/IP協(xié)議族按照層次由上到下，層層包裝。最上面的是應(yīng)用層，這里面有http，ftp,等等我們熟悉的協(xié)議。而第二層則是傳輸層，著名的TCP和UDP協(xié)議就在這個(gè)層次。

第三層是網(wǎng)絡(luò)層，IP協(xié)議就在這里，它負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)加上IP地址和其他的數(shù)據(jù)以確定傳輸?shù)哪繕?biāo)。第四層是數(shù)據(jù)鏈路層，這個(gè)層次為待傳送的數(shù)據(jù)加入一個(gè)以太網(wǎng)協(xié)議頭，并進(jìn)行CRC編碼，為***的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備。

上圖清楚地表示了TCP/IP協(xié)議中每個(gè)層的作用，而TCP/IP協(xié)議通信的過(guò)程其實(shí)就對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)入棧與出棧的過(guò)程。入棧的過(guò)程，數(shù)據(jù)發(fā)送方每層不斷地封裝首部與尾部，添加一些傳輸?shù)男畔ⅲ_保能傳輸?shù)侥康牡亍３鰲５倪^(guò)程，數(shù)據(jù)接收方每層不斷地拆除首部與尾部，得到最終傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

上圖以HTTP協(xié)議為例，具體說(shuō)明。

二、數(shù)據(jù)鏈路層

物理層負(fù)責(zé)0、1比特流與物理設(shè)備電壓高低、光的閃滅之間的互換。 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將0、1序列劃分為數(shù)據(jù)幀從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)脚R近的另一個(gè)節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)是通過(guò)MAC來(lái)唯一標(biāo)識(shí)的(MAC,物理地址，一個(gè)主機(jī)會(huì)有一個(gè)MAC地址)。
 
封裝成幀:把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)加頭和尾，封裝成幀,幀頭中包括源MAC地址和目的MAC地址。

透明傳輸:零比特填充、轉(zhuǎn)義字符。

可靠傳輸:在出錯(cuò)率很低的鏈路上很少用，但是無(wú)線(xiàn)鏈路WLAN會(huì)保證可靠傳輸。

差錯(cuò)檢測(cè)(CRC):接收者檢測(cè)錯(cuò)誤,如果發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，丟棄該幀。


三、網(wǎng)絡(luò)層

1. IP協(xié)議

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGMP的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)格式傳輸。要注意的是，IP不是可靠的協(xié)議，這是說(shuō)，IP協(xié)議沒(méi)有提供一種數(shù)據(jù)未傳達(dá)以后的處理機(jī)制，這被認(rèn)為是上層協(xié)議：TCP或UDP要做的事情。

(1) IP地址

在數(shù)據(jù)鏈路層中我們一般通過(guò)MAC地址來(lái)識(shí)別不同的節(jié)點(diǎn)，而在IP層我們也要有一個(gè)類(lèi)似的地址標(biāo)識(shí)，這就是IP地址。

32位IP地址分為網(wǎng)絡(luò)位和地址位，這樣做可以減少路由器中路由表記錄的數(shù)目，有了網(wǎng)絡(luò)地址，就可以限定擁有相同網(wǎng)絡(luò)地址的終端都在同一個(gè)范圍內(nèi)，那么路由表只需要維護(hù)一條這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址的方向，就可以找到相應(yīng)的這些終端了。

A類(lèi)IP地址：0.0.0.0~127.255.255.255

B類(lèi)IP地址：128.0.0.0~191.255.255.255

C類(lèi)IP地址：192.0.0.0~239.255.255.255

(2) IP協(xié)議頭

這里只介紹:八位的TTL字段。這個(gè)字段規(guī)定該數(shù)據(jù)包在穿過(guò)多少個(gè)路由之后才會(huì)被拋棄。某個(gè)IP數(shù)據(jù)包每穿過(guò)一個(gè)路由器，該數(shù)據(jù)包的TTL數(shù)值就會(huì)減少1，當(dāng)該數(shù)據(jù)包的TTL成為零，它就會(huì)被自動(dòng)拋棄。

這個(gè)字段的***值也就是255，也就是說(shuō)一個(gè)協(xié)議包也就在路由器里面穿行255次就會(huì)被拋棄了，根據(jù)系統(tǒng)的不同，這個(gè)數(shù)字也不一樣，一般是32或者是64。

2. ARP及RARP協(xié)議

ARP 是根據(jù)IP地址獲取MAC地址的一種協(xié)議。

ARP(地址解析)協(xié)議是一種解析協(xié)議，本來(lái)主機(jī)是完全不知道這個(gè)IP對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)主機(jī)的哪個(gè)接口，當(dāng)主機(jī)要發(fā)送一個(gè)IP包的時(shí)候，會(huì)首先查一下自己的ARP高速緩存(就是一個(gè)IP-MAC地址對(duì)應(yīng)表緩存)。

如果查詢(xún)的IP-MAC值對(duì)不存在，那么主機(jī)就向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)ARP協(xié)議廣播包，這個(gè)廣播包里面就有待查詢(xún)的IP地址，而直接收到這份廣播的包的所有主機(jī)都會(huì)查詢(xún)自己的IP地址，如果收到廣播包的某一個(gè)主機(jī)發(fā)現(xiàn)自己符合條件，那么就準(zhǔn)備好一個(gè)包含自己的MAC地址的ARP包傳送給發(fā)送ARP廣播

的主機(jī)。

而廣播主機(jī)拿到ARP包后會(huì)更新自己的ARP緩存(就是存放IP-MAC對(duì)應(yīng)表的地方)。發(fā)送廣播的主機(jī)就會(huì)用新的ARP緩存數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)鏈路層的的數(shù)據(jù)包發(fā)送工作。

RARP協(xié)議的工作與此相反，不做贅述。

3. ICMP協(xié)議

IP協(xié)議并不是一個(gè)可靠的協(xié)議，它不保證數(shù)據(jù)被送達(dá)，那么，自然的，保證數(shù)據(jù)送達(dá)的工作應(yīng)該由其他的模塊來(lái)完成。其中一個(gè)重要的模塊就是ICMP(網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文)協(xié)議。ICMP不是高層協(xié)議，而是IP層的協(xié)議。

當(dāng)傳送IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯(cuò)誤。比如主機(jī)不可達(dá)，路由不可達(dá)等等，ICMP協(xié)議將會(huì)把錯(cuò)誤信息封包，然后傳送回給主機(jī)。給主機(jī)一個(gè)處理錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，這 也就是為什么說(shuō)建立在IP層以上的協(xié)議是可能做到安全的原因。

四、ping

ping可以說(shuō)是ICMP的***的應(yīng)用，是TCP/IP協(xié)議的一部分。利用“ping”命令可以檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通，可以很好地幫助我們分析和判定網(wǎng)絡(luò)故障。

例如：當(dāng)我們某一個(gè)網(wǎng)站上不去的時(shí)候。通常會(huì)ping一下這個(gè)網(wǎng)站。ping會(huì)回顯出一些有用的信息。一般的信息如下：



ping這個(gè)單詞源自聲納定位，而這個(gè)程序的作用也確實(shí)如此，它利用ICMP協(xié)議包來(lái)偵測(cè)另一個(gè)主機(jī)是否可達(dá)。原理是用類(lèi)型碼為0的ICMP發(fā)請(qǐng) 求，受到請(qǐng)求的主機(jī)則用類(lèi)型碼為8的ICMP回應(yīng)。



ping程序來(lái)計(jì)算間隔時(shí)間，并計(jì)算有多少個(gè)包被送達(dá)。用戶(hù)就可以判斷網(wǎng)絡(luò)大致的情況。我們可以看到， ping給出來(lái)了傳送的時(shí)間和TTL的數(shù)據(jù)。

五、Traceroute

Traceroute是用來(lái)偵測(cè)主機(jī)到目的主機(jī)之間所經(jīng)路由情況的重要工具，也是最便利的工具。

Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主機(jī)的IP后，首先給目的主機(jī)發(fā)送一個(gè)TTL=1的UDP數(shù)據(jù)包，而經(jīng)過(guò)的***個(gè)路由器收到這個(gè)數(shù)據(jù)包以后，就自動(dòng)把TTL減1，而TTL變?yōu)?以后，路由器就把這個(gè)包給拋棄了，并同時(shí)產(chǎn)生 一個(gè)主機(jī)不可達(dá)的ICMP數(shù)據(jù)報(bào)給主機(jī)。主機(jī)收到這個(gè)數(shù)據(jù)

報(bào)以后再發(fā)一個(gè)TTL=2的UDP數(shù)據(jù)報(bào)給目的主機(jī)，然后刺激第二個(gè)路由器給主機(jī)發(fā)ICMP數(shù)據(jù) 報(bào)。如此往復(fù)直到到達(dá)目的主機(jī)。這樣，traceroute就拿到了所有的路由器IP。




六、TCP/UDP

TCP/UDP都是是傳輸層協(xié)議，但是兩者具有不同的特性，同時(shí)也具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景，下面以圖表的形式對(duì)比分析。

1. 面向報(bào)文

面向報(bào)文的傳輸方式是應(yīng)用層交給UDP多長(zhǎng)的報(bào)文，UDP就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。因此，應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。若報(bào)文太長(zhǎng)，則IP層需要分片，降低效率。若太短，會(huì)是IP太小。

2. 面向字節(jié)流

面向字節(jié)流的話(huà)，雖然應(yīng)用程序和TCP的交互是一次一個(gè)數(shù)據(jù)塊(大小不等)，但TCP把應(yīng)用程序看成是一連串的無(wú)結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。TCP有一個(gè)緩沖，當(dāng)應(yīng)用程序傳送的數(shù)據(jù)塊太長(zhǎng)，TCP就可以把它劃分短一些再傳送。

關(guān)于擁塞控制，流量控制，是TCP的重點(diǎn)，后面講解。

TCP和UDP協(xié)議的一些應(yīng)用：

3. 什么時(shí)候應(yīng)該使用TCP?

當(dāng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量有要求的時(shí)候，比如：整個(gè)數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞給對(duì)方，這往往用于一些要求可靠的應(yīng)用，比如HTTP、HTTPS、FTP等傳輸文件的協(xié)議，POP、SMTP等郵件傳輸?shù)膮f(xié)議。

4. 什么時(shí)候應(yīng)該使用UDP?

當(dāng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量要求不高的時(shí)候，要求網(wǎng)絡(luò)通訊速度能盡量的快，這時(shí)就可以使用UDP。

七、DNS

DNS(Domain Name System，域名系統(tǒng))，因特網(wǎng)上作為域名和IP地址相互映射的一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠使用戶(hù)更方便的訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，而不用去記住能夠被機(jī)器直接讀取的IP數(shù)串。通過(guò)主機(jī)名，最終得到該主機(jī)名對(duì)應(yīng)的IP地址的過(guò)程叫做域名解析(或主機(jī)名解析)。DNS協(xié)議運(yùn)行在UDP協(xié)議之上，

使用端口號(hào)53。

八、TCP連接的建立與終止

1. 三次握手

TCP是面向連接的，無(wú)論哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協(xié)議中，TCP協(xié)議提供可靠的連接服務(wù)，連接是通過(guò)三次握手進(jìn)行初始化的。三次握手的目的是同步連接雙方的序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)并交換 TCP窗口大小信息。

***次握手： 建立連接。客戶(hù)端發(fā)送連接請(qǐng)求報(bào)文段，將SYN位置為1，Sequence Number為x;然后，客戶(hù)端進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器的確認(rèn);

第二次握手： 服務(wù)器收到SYN報(bào)文段。服務(wù)器收到客戶(hù)端的SYN報(bào)文段，需要對(duì)這個(gè)SYN報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)，設(shè)置Acknowledgment Number為x+1(Sequence Number+1);同時(shí)，自己自己還要發(fā)送SYN請(qǐng)求信息，將SYN位置為1，Sequence Number為y;服務(wù)器端將上述所有信息放到一個(gè)報(bào)文段(即

SYN+ACK報(bào)文段)中，一并發(fā)送給客戶(hù)端，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài);

第三次握手： 客戶(hù)端收到服務(wù)器的SYN+ACK報(bào)文段。然后將Acknowledgment Number設(shè)置為y+1，向服務(wù)器發(fā)送ACK報(bào)文段，這個(gè)報(bào)文段發(fā)送完畢以后，客戶(hù)端和服務(wù)器端都進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成TCP三次握手。

為什么要三次握手?

為了防止已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段突然又傳送到了服務(wù)端，因而產(chǎn)生錯(cuò)誤。

具體例子：“已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段”的產(chǎn)生在這樣一種情況下：client發(fā)出的***個(gè)連接請(qǐng)求報(bào)文段并沒(méi)有丟失，而是在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的滯留了，以致延誤到連接釋放以后的某個(gè)時(shí)間才到達(dá)server。本來(lái)這是一個(gè)早已失效的報(bào)文段。

但server收到此失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段后，就誤認(rèn)為是client再次發(fā)出的一個(gè)新的連接請(qǐng)求。于是就向client發(fā)出確認(rèn)報(bào)文段，同意建立連接。假設(shè)不采用“三次握手”，那么只要server發(fā)出確認(rèn)，新的連接就建立了。由于現(xiàn)在client并沒(méi)有發(fā)出建立連接的請(qǐng)求，因此不會(huì)理睬server的確認(rèn)，也不會(huì)向

server發(fā)送數(shù)據(jù)。但server卻以為新的運(yùn)輸連接已經(jīng)建立，并一直等待client發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)。這樣，server的很多資源就白白浪費(fèi)掉了。

采用“三次握手”的辦法可以防止上述現(xiàn)象發(fā)生。例如剛才那種情況，client不會(huì)向server的確認(rèn)發(fā)出確認(rèn)。server由于收不到確認(rèn)，就知道client并沒(méi)有要求建立連接。”

2. 四次揮手

當(dāng)客戶(hù)端和服務(wù)器通過(guò)三次握手建立了TCP連接以后，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢，肯定是要斷開(kāi)TCP連接的啊。那對(duì)于TCP的斷開(kāi)連接，這里就有了神秘的“四次分手”。
 
***次分手：主機(jī)1(可以使客戶(hù)端，也可以是服務(wù)器端)，設(shè)置Sequence Number，向主機(jī)2發(fā)送一個(gè)FIN報(bào)文段;此時(shí)，主機(jī)1進(jìn)入FIN_WAIT_1狀態(tài);這表示主機(jī)1沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給主機(jī)2了;

第二次分手：主機(jī)2收到了主機(jī)1發(fā)送的FIN報(bào)文段，向主機(jī)1回一個(gè)ACK報(bào)文段，Acknowledgment Number為Sequence Number加1;主機(jī)1進(jìn)入FIN_WAIT_2狀態(tài);主機(jī)2告訴主機(jī)1，我“同意”你的關(guān)閉請(qǐng)求;

第三次分手： 主機(jī)2向主機(jī)1發(fā)送FIN報(bào)文段，請(qǐng)求關(guān)閉連接，同時(shí)主機(jī)2進(jìn)入LAST_ACK狀態(tài);

第四次分手：主機(jī)1收到主機(jī)2發(fā)送的FIN報(bào)文段，向主機(jī)2發(fā)送ACK報(bào)文段，然后主機(jī)1進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài);主機(jī)2收到主機(jī)1的ACK報(bào)文段以后，就關(guān)閉連接;此時(shí)，主機(jī)1等待2MSL后依然沒(méi)有收到回復(fù)，則證明Server端已正常關(guān)閉，那好，主機(jī)1也可以關(guān)閉連接了。

(1) 為什么要四次分手?

TCP協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運(yùn)輸層通信協(xié)議。

TCP是全雙工模式，這就意味著，當(dāng)主機(jī)1發(fā)出FIN報(bào)文段時(shí)，只是表示主機(jī)1已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，主機(jī)1告訴主機(jī)2，它的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部發(fā)送完畢了;但是，這個(gè)時(shí)候主機(jī)1還是可以接受來(lái)自主機(jī)2的數(shù)據(jù);當(dāng)主機(jī)2返回ACK報(bào)文段時(shí)，表示它已經(jīng)知道主機(jī)1沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送了，但是主機(jī)2還是可以發(fā)送

數(shù)據(jù)到主機(jī)1的;當(dāng)主機(jī)2也發(fā)送了FIN報(bào)文段時(shí)，這個(gè)時(shí)候就表示主機(jī)2也沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，就會(huì)告訴主機(jī)1，我也沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，之后彼此就會(huì)愉快的中斷這次TCP連接。

(2) 為什么要等待2MSL?

MSL：報(bào)文段***生存時(shí)間，它是任何報(bào)文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間。

原因有二：

保證TCP協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關(guān)閉。

保證這次連接的重復(fù)數(shù)據(jù)段從網(wǎng)絡(luò)中消失。

***點(diǎn)：如果主機(jī)1直接CLOSED了，那么由于IP協(xié)議的不可靠性或者是其它網(wǎng)絡(luò)原因，導(dǎo)致主機(jī)2沒(méi)有收到主機(jī)1***回復(fù)的ACK。那么主機(jī)2就會(huì)在超時(shí)之后繼續(xù)發(fā)送FIN，此時(shí)由于主機(jī)1已經(jīng)CLOSED了，就找不到與重發(fā)的FIN對(duì)應(yīng)的連接。所以，主機(jī)1不是直接進(jìn)入CLOSED，而是要保持

TIME_WAIT，當(dāng)再次收到FIN的時(shí)候，能夠保證對(duì)方收到ACK，***正確的關(guān)閉連接。

第二點(diǎn)：如果主機(jī)1直接CLOSED，然后又再向主機(jī)2發(fā)起一個(gè)新連接，我們不能保證這個(gè)新連接與剛關(guān)閉的連接的端口號(hào)是不同的。也就是說(shuō)有可能新連接和老連接的端口號(hào)是相同的。一般來(lái)說(shuō)不會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題，但是還是有特殊情況出現(xiàn)：假設(shè)新連接和已經(jīng)關(guān)閉的老連接端口號(hào)是一樣的，如果

前一次連接的某些數(shù)據(jù)仍然滯留在網(wǎng)絡(luò)中，這些延遲數(shù)據(jù)在建立新連接之后才到達(dá)主機(jī)2，由于新連接和老連接的端口號(hào)是一樣的，TCP協(xié)議就認(rèn)為那個(gè)延遲的數(shù)據(jù)是屬于新連接的，這樣就和真正的新連接的數(shù)據(jù)包發(fā)生混淆了。

所以TCP連接還要在TIME_WAIT狀態(tài)等待2倍MSL，這樣可以保證本次連接的所有數(shù)據(jù)都從網(wǎng)絡(luò)中消失。

九、TCP流量控制

如果發(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過(guò)快，接收方可能會(huì)來(lái)不及接收，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。所謂流量控制就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，要讓接收方來(lái)得及接收。

利用滑動(dòng)窗口機(jī)制可以很方便地在TCP連接上實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送方的流量控制。

設(shè)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)。在連接建立時(shí)，B告訴了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(這里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，發(fā)送方的發(fā)送窗口不能超過(guò)接收方給出的接收窗口的數(shù)值。請(qǐng)注意，TCP的窗口單位是字節(jié)，不是報(bào)文段。假設(shè)每一個(gè)報(bào)文段為100字節(jié)長(zhǎng)，而數(shù)據(jù)報(bào)文段序號(hào)的初始值設(shè)為


1。大寫(xiě)ACK表示首部中的確認(rèn)位ACK，小寫(xiě)ack表示確認(rèn)字段的值ack。





從圖中可以看出，B進(jìn)行了三次流量控制。***次把窗口減少到 rwnd = 300 ，第二次又減到了 rwnd = 100 ，***減到 rwnd = 0 ，即不允許發(fā)送方再發(fā)送數(shù)據(jù)了。這種使發(fā)送方暫停發(fā)送的狀態(tài)將持續(xù)到主機(jī)B重新發(fā)出一個(gè)新的窗口值為止。B向A發(fā)送的三個(gè)報(bào)文段都設(shè)置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1時(shí)確

認(rèn)號(hào)字段才有意義。

TCP為每一個(gè)連接設(shè)有一個(gè)持續(xù)計(jì)時(shí)器(persistence timer)。只要TCP連接的一方收到對(duì)方的零窗口通知，就啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器。若持續(xù)計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間到期，就發(fā)送一個(gè)零窗口控測(cè)報(bào)文段(攜1字節(jié)的數(shù)據(jù))，那么收到這個(gè)報(bào)文段的一方就重新設(shè)置持續(xù)計(jì)時(shí)器。

十、TCP擁塞控制

1. 慢開(kāi)始和擁塞避免

發(fā)送方維持一個(gè)擁塞窗口 cwnd ( congestion window )的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地在變化。發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口。

發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。


(1) 慢開(kāi)始算法：

當(dāng)主機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果立即所大量數(shù)據(jù)字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)，那么就有可能引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，因?yàn)楝F(xiàn)在并不清楚網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷情況。

因此，較好的方法是 先探測(cè)一下，即由小到大逐漸增大發(fā)送窗口，也就是說(shuō)，由小到大逐漸增大擁塞窗口數(shù)值。

通常在剛剛開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)，先把擁塞窗口 cwnd 設(shè)置為一個(gè)***報(bào)文段MSS的數(shù)值。而在每收到一個(gè)對(duì)新的報(bào)文段的確認(rèn)后，把擁塞窗口增加至多一個(gè)MSS的數(shù)值。用這樣的方法逐步增大發(fā)送方的擁塞窗口 cwnd ，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。
 

每經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸輪次，擁塞窗口 cwnd 就加倍。一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間其實(shí)就是往返時(shí)間RTT。不過(guò)“傳輸輪次”更加強(qiáng)調(diào)：把擁塞窗口cwnd所允許發(fā)送的報(bào)文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對(duì)已發(fā)送的***一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)。

另外，慢開(kāi)始的“慢”并不是指cwnd的增長(zhǎng)速率慢，而是指在TCP開(kāi)始發(fā)送報(bào)文段時(shí)先設(shè)置cwnd=1，使得發(fā)送方在開(kāi)始時(shí)只發(fā)送一個(gè)報(bào)文段(目的是試探一下網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況)，然后再逐漸增大cwnd。

為了防止擁塞窗口cwnd增長(zhǎng)過(guò)大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需要設(shè)置一個(gè)慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh狀態(tài)變量。慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh的用法如下：

當(dāng) cwnd < ssthresh 時(shí)，使用上述的慢開(kāi)始算法。

當(dāng) cwnd > ssthresh 時(shí)，停止使用慢開(kāi)始算法而改用擁塞避免算法。

當(dāng) cwnd = ssthresh 時(shí)，既可使用慢開(kāi)始算法，也可使用擁塞控制避免算法。

(2) 擁塞避免

讓擁塞窗口cwnd緩慢地增大，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)往返時(shí)間RTT就把發(fā)送方的擁塞窗口cwnd加1，而不是加倍。這樣擁塞窗口cwnd按線(xiàn)性規(guī)律緩慢增長(zhǎng)，比慢開(kāi)始算法的擁塞窗口增長(zhǎng)速率緩慢得多。

無(wú)論在慢開(kāi)始階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞(其根據(jù)就是沒(méi)有收到確認(rèn))，就要把慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時(shí)的發(fā)送 方窗口值的一半(但不能小于2)。然后把擁塞窗口cwnd重新設(shè)置為1，執(zhí)行慢開(kāi)始算法。

這樣做的目的就是要迅速減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生 擁塞的路由器有足夠時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。

如下圖，用具體數(shù)值說(shuō)明了上述擁塞控制的過(guò)程。現(xiàn)在發(fā)送窗口的大小和擁塞窗口一樣大。

2. 快重傳和快恢復(fù)

(1) 快重傳


快重傳算法首先要求接收方每收到一個(gè)失序的報(bào)文段后就立即發(fā)出重復(fù)確認(rèn)(為的是使發(fā)送方及早知道有報(bào)文段沒(méi)有到達(dá)對(duì)方)而不要等到自己發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行捎帶確認(rèn)。





接收方收到了M1和M2后都分別發(fā)出了確認(rèn)。現(xiàn)在假定接收方?jīng)]有收到M3但接著收到了M4。

顯然，接收方不能確認(rèn)M4，因?yàn)镸4是收到的失序報(bào)文段。根據(jù) 可靠傳輸原理，接收方可以什么都不做，也可以在適當(dāng)時(shí)機(jī)發(fā)送一次對(duì)M2的確認(rèn)。

但按照快重傳算法的規(guī)定，接收方應(yīng)及時(shí)發(fā)送對(duì)M2的重復(fù)確認(rèn)，這樣做可以讓 發(fā)送方及早知道報(bào)文段M3沒(méi)有到達(dá)接收方。發(fā)送方接著發(fā)送了M5和M6。接收方收到這兩個(gè)報(bào)文后，也還要再次發(fā)出對(duì)M2的重復(fù)確認(rèn)。這樣，發(fā)送方共收到了 接收方的四個(gè)對(duì)M2的確認(rèn)，其中后三個(gè)都是重復(fù)確認(rèn)。

快重傳算法還規(guī)定，發(fā)送方只要一連收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)就應(yīng)當(dāng)立即重傳對(duì)方尚未收到的報(bào)文段M3，而不必 繼續(xù)等待M3設(shè)置的重傳計(jì)時(shí)器到期。

由于發(fā)送方盡早重傳未被確認(rèn)的報(bào)文段，因此采用快重傳后可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高約20%。

(2) 快恢復(fù)

與快重傳配合使用的還有快恢復(fù)算法，其過(guò)程有以下兩個(gè)要點(diǎn)：

當(dāng)發(fā)送方連續(xù)收到三個(gè)重復(fù)確認(rèn)，就執(zhí)行“乘法減小”算法，把慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh減半。

與慢開(kāi)始不同之處是現(xiàn)在不執(zhí)行慢開(kāi)始算法(即擁塞窗口cwnd現(xiàn)在不設(shè)置為1)，而是把cwnd值設(shè)置為 慢開(kāi)始門(mén)限ssthresh減半后的數(shù)值，然后開(kāi)始執(zhí)行擁塞避免算法(“加法增大”)，使擁塞窗口緩慢地線(xiàn)性增大。