1. TCP首部信息。
2. TCP可靠性分析。
3. 提高网络利用率。

TCP首部信息

TCP头部信息.jpg

TCP可靠性分析

1. 序列号和确认应答

• Sequence Number：解决网络包乱序问题。
• Acknowledgement Number：解决不丢包问题。

2. 连接管理

连接状态流程图
连接时状态分析

• 三次握手原因：发起端发出SYN请求连接，接收端可同时发送ACK+SYN，ACK是对于发起端端确认应答，SYN是对发起端的同步请求，最后发起端发送一个ACK确认连接。
• 四次挥手原因：接收端收到FIN后，则首先会回应发起端一个ACK确认应答，然后处理完数据发送后，会对发起端发出FIN信息告知发起端可以关闭连接，最后发起端回应一个ACK告知接收端，连接已经关闭。
• TIME_WAIT后会有2MSL等待原因：
  • 确保接收端能够有足够的时间接收到ACK包（如果接收端没有收到ACK包会重新发送一个FIN包，一来一回正好2MSL）。
  • 为了让这个连接不被新的数据混在一起（如果连接被重用，延迟收到的包就会跟新的连接混在一起）

3. 重传机制

• 超时重传：
  • 仅重传丢失包。优点：节省带宽。缺点：速度慢。
  • 重传丢包后的所有数据。优点：速度快。缺点：浪费带宽且做了很多无用功。
• 快速重传：发送方连续收到3次相同的ACK那么就重传。但重传丢失包还是丢失包后的所有数据，也是个问题。
• SACK：是汇报收到的数据碎版，发送端就可以知道收到哪些数据，丢失哪些数据了。

4. 滑动窗口

滑动窗口机制

• 发送窗口只有收到发送窗口内字节的ACK才会移动左边界。
• 接收窗口只有在接收到左边数据的情况下才移动左边界。当左边的数据未收到右边数据收到的情况下，窗口也不会移动，且发送端会触发超时重传机制。
• 窗口大小不能大于序号空间大小的一半。目的是为了不让两个窗口出现交迭，比如总大小为7，窗口大小都为4，接收窗口应当滑动4，但只剩3个序号，导致两个窗口交迭。

参考动画

5. 拥塞控制

• 慢启动：慢启动算法(cwnd全称Congestion Window)

  • 连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。
  • 每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升。
  • 每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升。
  • 还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。

• 拥塞避免：ssthresh（slow start threshold）是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。一般来说ssthresh的值是65535，单位是字节，当cwnd达到这个值时后，算法如下：

  • 收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd
  • 当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

• 拥塞发生：有两种情况RTO（超时重传）和Fast Retransmit（快速重传）

  • 等到RTO超时，重传数据包：
    • sshthresh = cwnd /2
    • cwnd 重置为 1
    • 进入慢启动过程
  • Fast Retransmit算法，也就是在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时。算法如下：
    • cwnd = cwnd /2
    • sshthresh = cwnd
    • 进入快速恢复算法——Fast Recovery

• 快速恢复：

  • cwnd = sshthresh + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）
  • 重传Duplicated ACKs指定的数据包
  • 如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1
  • 如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了。

算法示意图

拥塞控制.jpg

提高网络利用率

1. Nagle算法

满足以下任意条件即可发送，否则不能发送数据：

• 已发送的数据都已经收到确认应答。
• 可以发送最大段长度（MSS）的数据时。

2. ACK延迟

收到数据后并不立即返回ACK，而是延迟一段时间，发送ACK条件如下：

• 收到2*MSS长度的数据。
• 其他情况最大延迟0.5s后发送（主流系统一般设置0.2s）

3. 捎带应答

根据应用层协议，发出去的消息到达接受端，接受端经过处理后会返回一个回执数据，把ACK和回执一同打成一个包发送的方式，这种方式就叫做捎带应答。