TCP/IP Note

《TCP/IP详解》读书笔记

一、TCP超时与重传

引言

• 计时器超时称为重传超时（RTO）
• 若TCP累计确认无法返回新的ACK，或者当ACK包含的选择确认信息（SACK）表明出现失序报文段时，快速重传会推断出现丢包
• 由下层网络（IP）可能出现丢失重复或失序包，TCP重传其认为已经丢失的包

简单的超时与重传举例

• 二进制指数退避
  • 每次重传间隔时间加倍
• TCP拥有两个阈值来决定如何重传同一个报文段
  • R1表示TCP在向IP层传递“消极建议”（如重新评估当前路径）前，愿意尝试重传的次数
  • R2（大于R1）指示TCP应放弃当前连接的时机

设置重传超时

• TCP超时和重传的基础根据给定连接的RTT（往返时间）设置RTO
  • 若TCP先于RTT开始重传，可能会在网络中引入不必要的重复数据
  • 若延迟远大于RTT的间隔发送重传数据，整体网络利用率（及单个连接吞吐量）会随之下降
• RTO设置得当是保证TCP性能的关键
• 当分组失序（或丢失）时，RTT会被过高估算。较大的RTT估计值使得RTO也更大
• 时间戳选项（TSOPT）使得发送端即使在丢包、延时、失序的情况下也能测量RTT

基于计时器的重传

• 对于TCP来说，计时器需要有效地实现被设置、重新设置或取消的功能
• RTO的设置通常大于RTT（两倍或更大）
  • 因此基于计时器的重传会导致网络利用率的下降
• 快速重传不需要计时器超时来触发且比超时重传更高效

快速重传

• 快速重传机制基于接收端的反馈信息来引发重传
• 快速重传是根据收到重复ACK来推断出现丢包并启动重传，而不必等待重传计时器超时
• 快读重传仅在达到重复阈值后才被触发，而不是一旦收到重复ACK就出发，减少了大量不必要的重传发生

带选择确认（SACK）的重传

• 空缺
  • ACK号与接收端缓存中的其他数据之间的间隔
• 失序数据
  • 序列号高于空缺的数据
• 在很多情况下，合理采用SACK信息能更快地实现空缺填补，且能减少不必要的重传
• SACK接收端行为
  • SACK选项的空间有限，应尽可能确保向TCP发送端提供最新信息，其余的SACK块包含的内容也按照接收的先后依次排序
• SACK发送端行为
  • SACK发送端记录接收到的累计ACK信息，还需要记录接收到的SACK信息
  • 当SACK发送端执行重传时，通常是由于其收到了SACK或重复SACK（D-SACK）
• 为提高对ACK丢失的鲁棒性，第一个SACK块中需要包含之前的重复SACK信息

伪超时与重传

• 伪重传

  • 即使没有出现数据丢失也可能引发的重传
  • 主要原因是伪超时

• DSACK

  • 主要目的是判断何时重传是不必要的
  • 因此发送端至少可以判断是否发生了包失序、ACK丢失、包重复

包失序与重复

• 失序
  • IP层不能保证包传输是有序进行的
  • 如果失序发生在正向链路上，TCP可能无法正确识别失序和丢包
• 重复
  • 采用DSACK避免

重新组包

• 定义：发送一个更大的报文段来提高性能（不能超过接收端通告的MSS，也不能大于路径MTU）
• 当TCP超时重传，它并不需要完全重传相同的报文段
• 解决了重传二义性问题

二、TCP数据流与窗口管理

交互式通信

• TCP流量中通常90%或者更多的TCP报文段都包含大批量数据（如Web、文件共享、电子邮件、备份），其余部分则包含交互式数据（如远程登陆、网络游戏），批量数据通常较大，而交互式数据段则会比较小
• 对于一个ssh连接，客户端对其传输数据加密，意味着用户输入的信息在通过连接传送前已经进行了加密
• 每一个交互按键通常都会生成一个单独的数据包，每个按键是独立传输的（每次一个字符而非每次一行）
• 每个输入字符会生成4个TCP数据段：客户端的交互击键输入、服务器对击键的确认、服务器端生成的回显、客户端对该回显的确认
  • 通常第二段和第三段可以合并，可将对击键的确认与回显一并传送，这种方法称为（捎带延时确认）

延时确认

• TCP并不对每个到来的数据包都返回ACK
  • 利用TCP的累计ACK字段就能实现该功能
• 捎带传输：
  • 累计确认可以允许TCP延迟一段时间发送ACK，以便将ACK和相同方向上需要传输的数据结合发送
• TCP不能任意时长地延迟ACK，否则对方会误认以为数据丢失而出现不必要的重传
• RFC指出：TCP实现ACK延迟的时延应小于500ms，实践中时延最大取200ms

Nagle算法

• 当一个TCP连接中有在传数据（即那些已发送但还未经确认的数据），小的报文段（长度小于SMSS）就不能被发送，直到所有的在传数据都收到ACK，在收到ACK后，TCP需要收集这些小数据，将其整合到一个报文段中发送
• ACK返回越快，数据传输越快
• 传输包数目更少而长度更大，但同时传输时延也更长
• Nagle算法结合ACK可能会导致某种程度的死锁（这种死锁不是永久的）
• 要求延时尽量小的应用，建议禁用Nagle算法
  • TCP_NODELAY选项可以禁用Nagle算法

流量控制与窗口管理

• 每一个TCP报文段（除了建立之初的包交换）都包含一个有效的序列号字段、一个ACK号或确认字段以及一个窗口大小字段（包含窗口通告信息）
• 窗口通告：表示发送该窗口信息的通信方为即将到来的新数据预留的存储空间
• 窗口大小：表明接收端可用缓存空间的大小
• 滑动窗口
  • 每个TCP活动连接的两端都维护一个发送窗口结构和接收窗口结构
  • TCP以字节（而非包）为单位维护其窗口结构
  • 窗口左右边界的运动
    • 1.关闭
      • 即窗口左边界右移。当已发送数据得到ACK确认时，窗口会减小
    • 2.打开
      • 即窗口右边界右移。使得可发送数据量增大。当已确认数据得到处理，接收端可用缓存变大，窗口也随之变大
    • 3.收缩
      • 即窗口右边界左移
• 零窗口与TCP持续计时器
  • 零窗口：左右边界相等
  • 当接收端的通告窗口值为0时，可以有效阻止发送端继续发送，直至窗口大小恢复为非零值
  • 当接收端重新获得可用空间时，会给发送端传输一个”窗口更新“告知其可以继续发送数据
    • 该窗口更新通常不包含数据（纯ACK），不能保证其传输的可靠性，容易丢包，造成死锁的发生（发送方等待收到窗口更新告知其可继续发送，接收方等待接收数据）
      • 解决方案：发送端会采用一个持续计时器间歇性地查询接收端，看其窗口是否已增长
  • TCP持续计时器会触发”窗口探测“的传输，强制要求接收端返回ACK（其中包含了窗口大小字段）
  • 窗口探测包含一个字节的数据，采用TCP可靠传输（丢失重传），因此可以避免由窗口更新丢失导致的死锁
    • 该一个字节的数据能否被接收，取决于接收端的可用缓存空间大小
  • 当TCP持续计时器超时，就会触发窗口探测的发送
  • 窗口探测的响应条件：
    • 至少为一个MSS
    • 超过总接收缓存的四分之一
  • 可以采用指数时间退避来计算持续计时器的超时
• 糊涂窗口综合征（SWS）
  • 基于窗口的流量控制机制，尤其是不使用大小固定的报文段情况（如TCP），可能会出现SWS
  • 当出现该问题时，交换数据段不是全长的而是一些较小的数据段，由于每个报文段中有用数据相对头部信息的比例较小，因此耗费的资源也更多，相应的传输效率也更低
  • 避免SWS问题
    • 1.对于接收端来说，不应通告小的窗口值
    • 2.对于发送端来说，不应发送小的报文段
    • 为了避免SWS问题，至少满足以下条件之一时才能传输报文段（发送窗口更新）
      • （a）全长（发送MSS字节）的报文段可以发送
      • （b）数据段长度 >= 接收端通告过的最大窗口的一半的，可以发送
      • （c）满足以下任一条件的都可以发送：
        • （i）某一ACK不是目前期盼的（即没有未经确认的在传数据）
        • （ii）该连接禁用Nagle算法
  • TCP需要避免窗口收缩
  • 优先级：避免窗口收缩 > 避免SWS
• 大容量缓存与自动调优
  • 使用较小接收缓存的TCP应用的吞吐性能更差
  • 自动调优
    • 高效地自动分配缓存大小
    • 窗口值随着接收数据的增多而增大
• 紧急机制
  • 紧急指针字段被设置后，发送端生成的每个TCP头部都包含该字段
  • 所有序列号大于紧急指针的数据都经接收端确认

三、TCP拥塞控制

引言

• TCP拥塞控制的难点在于怎样准确地判断何时需要减缓且如何减缓TCP传输，以及何时恢复其原有速度
• 当网络中大量的发送方和接收方被要求承担超负荷的通信任务时，可以考虑采取(降低发送速率)或者(最终丢弃部分数据)的方法
• 拥塞
  • 路由器因无法处理高速率到达的流量而被迫丢弃数据信息的现象

TCP拥塞检测

• 针对丢包情况，TCP采取的首要机制是重传
  • 超时重传
  • 快速重传
• 丢包被用作判断拥塞发生与否的值标
• 在有线网络中，出现在路由器或交换机中的拥塞是造成丢包的主要原因
• 在无线网络中，传输和接收错误是导致丢包的重要因素

减缓TCP发送

• TCP头部设置的通知窗口大小字段，是TCP发送方调节发送速率的依据
• TCP发送端发送速率 = min{接收速率，传输速率}
• 拥塞窗口（cwnd）
  • 反映网络传输能力的变量
• 发送端实际可用窗口W = min{cwnd，通知窗口(awnd)}
• 在外数据值
  • 已经发出但还未经确认的数据量大小
  • 当TCP不使用选择确认机制时，W的限制作用体现为发送方发送的报文段序列号不能大于ACK号的最大值与W之和
  • 当TCP使用选择确认机制时，W用来限制在外数据值
• 带宽延迟积（BDP）也称作最佳窗口大小
  • 若在传输数据值远高于BDP时，会引入不必要的延时

经典算法

• TCP通过与接收端交换一个数据包来获得awnd的值
• 获得cwnd最佳值的唯一方法是以越来越快的速率不断发送数据，直到出现数据包丢失（或网络拥塞）为止
• 拥塞控制操作是由ACK的接收来驱动或“控制”的
• 接收到ACK回复表明发送的数据包已被成功接收，因此可以继续发送操作
• 自同步
  • 由一个ACK到达（称作ACK时钟）触发一个新数据包传输的关系
• 在稳定传输状态下，整个系统可“自同步”控制

慢启动

• 当一个新的TCP连接建立或检测到由重传超时（RTO）导致的丢包时，需执行慢启动
• TCP发送端长时间处于空闲状态也可能调用慢启动算法
  • 在这种情况下cwnd初始值将被设置为重启窗口（RW），RW = min（IW，cwnd）
• 慢启动的目的
  • 使TCP在用拥塞避免探寻更多可用宽带之前得到cwnd值，以帮助TCP建立ACK时钟
• 慢启动算法防止短时间内大量数据注入导致拥塞
• TCP以发送一定数目的数据段开始慢启动（在SYN交换之后），称为初始窗口（IW）
• SMSS = min（接收方MSS，MTU）
• 慢启动算法会以min（N，SMSS）来增加cwnd值，N是指在未经确认的传输数据中能通过这一”新接收的ACK号大于之前收到的ACK号“确认的字节数
• 快速ACK模式
  • TCP操作只在慢启动阶段完成后才返回ACK

拥塞避免

• 在慢启动阶段，cwnd会快速增长，帮助确立一个慢启动阈值，一旦达到阈值，就意味着可能有更多可用的传输资源。如果立即全部占用这些资源，将会使共享路由器队列的其他连接出现严重的丢包和重传情况，从而导致整个网络性能不稳定
• 一旦确立慢启动阈值，TCP会进入拥塞避免阶段
• 拥塞避免阶段窗口随时间线性增长，而慢启动阶段呈指数增长
  • cwnd1 = cwnd0+（1/k）*SMSS

慢启动和拥塞避免的选择

• 某个TCP连接总是选择运行慢启动和拥塞避免中的一个，不会出现两者同时运行的情况
• 当cwnd<ssthresh，使用慢启动算法
• 当cwnd>ssthresh，使用拥塞避免
• 当cwnd=ssthresh，任何一种算法都可以使用
• 慢启动阈值ssthresh不是固定的，是随时间改变的
• 慢启动阈值的主要目的是，在没有丢包发生的情况下，记住上一次”最好的“操作窗口估计值
• ssthresh = max（在外数据值/2，2*SMSS）
• 如果出现重传情况，慢启动阈值减小至当前窗口大小的一般（但不小于2*SMSS）

标准TCP

• 当接收到一个好的ACK（表明新的数据传输成功）cwnd会相应更新
  • cwnd += SMSS 慢启动
  • cwnd += SMSS*SMSS/cwnd 拥塞避免
• 当收到三次重复ACK（或其他表明需要快速重传的信号）时，会执行以下行为
  • 1.ssthresh更新为大于等式ssthresh = min（在外数据值/2，2*SMSS）的值
  • 2.启用快速重传算法，将cwnd设为（ssthresh+3*SMSS）
  • 3.每接收一个重复ACK，cwnd值暂时增加1 SMSS
  • 4.当接收到一个好的ACK，将cwnd重设为ssthresh

转发确认（FACK）和速率减半

• 为避免出现等待空闲而又不违背将拥塞窗口减半的做法，提出了转发确认（FACK）策略
• 带界定参数的速率减半（RHBP）
  • 基本操作：在一个RTT时间内，每接收两个重复ACK，TCP发送方可发送一个新的数据包
  • RHBP中区分了调整间隔（cwnd的修正阶段）和恢复间隔（数据重传阶段）
• 速率减半是调节发送操作或避免集中发送的方法

限制传输

• TCP发送方每接收两个连续的重复ACK，就能发送一个新数据包
• TCP因此可以避免长时间等待RTO而导致吞吐性能下降
• 速率减半也是限制传输的一种形式

  拥塞窗口校验（CWV）

• 在发送长时间暂停的情况下，由ssthresh维护cwnd保存的”记忆”，之后cwnd值会衰减。
• 需要区分空闲发送端和应用受限发送端
• CWV算法原理：当需要发送新数据时，首先看距离上次发送操作是否超过一个RTO，如果超过则
  • 更新ssthresh值，设为max（ssthresh，（3/4）*cwnd）
  • 每经一个空闲RTT时间，cwnd值就减半，但不小于1 SMSS
  • 对应用受限阶段
    • 已使用的窗口大小为W_used
    • 更新ssthresh的值，设为max（ssthresh，（3/4）*cwnd）
    • cwnd设置为cwnd和W_used的平均值