Tcp学习笔记

TCP, UDP协议学习笔记

• UDP校验和

  • 计算方法

    • 将报文段中所有的16比特的和进行反码运算，如果溢出则进行回卷。
      • 回卷操作：将溢出的位加到最低位

  • 报文段中的16比特字：源端口号，目的端口号，长度，原校验和

  • 例子

    0110011001100000
    0101010101010101
    1000111100001100 -> overflow
    + => 010010101000001
    回卷:010010101000010
    ~  :101101010111101
        
    RECEIVER: 在加上原校验和取反， 若不为1111111111111111， 则说明分组中有差错，未正确传输
    

  • 处理:弃用该报文段

• TCP

  • Maximum Segment size(MSS): TCP可从缓存中取出并放入报文段的最大限度

    • 由MTU(maximum transmission unit) 确定， 最大链路层帧长度

  • 报文结构

    32 bit
    - source port: destination port (16 each)
    - sequence number (32)
    - acknowledgement number(32)
    - head length;reserved;  CWR/ECE/URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN; RECEIVER WINDOW
    - checksum field/ emergency data pointer
    - options (协商MSS，以及时间戳选项)
    - data
    

    • 传输较大文件：划分成若干个长度为MSS的小块
    • PSH选项：接受方立即将数据返回上层
    • RST,SYN,FIN选项：用于连接的建立和拆除
    • UGR指示紧急数据
    • CWR 拥塞窗口flag，明确拥塞报告

  • 三次握手详细：

    • 第一次：a->b 没有数据，但首部的SYN flag被标记， 随机选取初始序号(client_isn)

    • 第二次：b->a b将为此连接分配内存，发送包：SYN = 1, ACK = client_isn++, SEQ = 随机选取sever_isn （SYNACK报文段）

    • 第三次：a->b a将为此连接分配内吨，发送包：SYN = 0, ACK = server_isn++, SEQ = client_isn++；

      此次发送的包可以有负载

  • 结束连接：

    • 与握手类似，只是FINflag将被标记，服务器收到FIN将再发一个带ACK的FIN包然后关闭，最后客户将再发一个包并定时等待，确认服务器关闭（没有包过来）后则关闭

  • 序列号和确认号

    • 例子，若MSS为1000字节，则序号为0， 1000， 2000， 以此类推

      • 第一个报文段有从0开始的数据，第二个是从1000开始

    • 确认号：主机A填充进报文段的序列号是A期望从B收到的下一字节的序列号

    • 累积确认(cumulative acknowledgement): 只确认该流中第一个到丢失字节为止的字节。

      • 为保证可靠性，能完整重建数据

    • Example:

      - A: Seq=42, Ack=79, data='C'
      - B: Seq=79, Ack=43, data='C'
      - A: Seq=43, ACK=80
      

      • 起始Sequence：客户端发送第一个报文段序号为42， 服务器发送第一个序号为79。
      • 第一个包：客户将向服务器发送第42字节，期望从服务器获得第79号字节
      • 第二个包：确认已经收到用户42号字节以及之前的内容， 期待第43号字节的出现，序号79为服务器要发送的第一个字节
      • 第三个包：序列号表明将向服务器发送第43号字节，确认号表明确认已经收到字节流第79号及以前的字节，正在等待第80号出现

    • 往返时间估计与超时

      • RTT 往返时间， 数据来回一次用的时间

      • 估算：取样(Sample RTT) 注意：不会为重传包计算RTT值（猜想：有可能马上收到相应ACK，若计算会使估计值偏小）

      • 计算方式：Exponential Weighted Moving Average移动指数平均（EWMA)

        EstimatedRTT = (1-alpha)*EstimatedRTT + alpha*EstimatedRTT
        

      • 偏差值计算

        DevRTT = (1-beta)*DevRTT + beta*|SampleRTT - EstimatedRTT|
        

      • 超时区间

        TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT
        

  • 快速重传

    • duplicate ACK 冗余ACK， 再次发送确认
    • 具体方法
      • 正常接收前面的数据， 但延迟, 等待后重传
      • 带有比期望序号大的SEQ（序列号）的包出现，有一定间隔， 立即重传
      • 部分填充间隔的包出现， 如果起始于间隔的低端，则立即发送ACK （正确接收的数据到本包为止，以此为基础发送）
    • 3个duplicate ACK（接收了对方传来的三个相同ACK)
      • 确认在本报文段之后的数据已经丢失，快速重传
      • 原理
        • https://www.zhihu.com/question/21789252

  • 流量控制， 拥塞控制

    • 发送方维护接收窗口 receiver window -> 接收方还有多少缓存空间
    • 保证缓存不溢出则，上一个读取的字节号和上一个接收的字节号之差不得大于缓存容量
    • rwnd跟踪缓存剩余量，即缓存总量减去上述两个字节号之差
    • 特殊情况：
      • rwnd = 0
        • B发送rwnd=0之后如果不再发送请求，则A认为B缓存满，将不会主动发送信息，但实际上这之后B的缓存清空了，则导致A被阻塞
        • 解决：B中接收窗口为0时，A将继续发送只有一个字节数据的报文段，直到缓存清空。rwnd != 0

  • 拥塞控制

    • 在一个发送方中未被确认(被对方确认，即收到了对方对于该数据的ACK)的数据量不能超过cwnd和rwnd中的最小值

      LastByteSent - LastByteAcked <= min{cwnd, rwnd}
      

      TCP Reno

    • 慢启动：

      • cwnd = MSS
      • 初始发送速率：MSS/RTT
      • 每当报文段首次被确认就增加一个MSS
      • 每过一个RTT， 发送速率*2（每一个正确接收的包都将导致速度增加一个MSS), 指数增长

    • 丢包时间 -> cwnd = 1, 慢启动

    • ssthreash慢启动阈值 = cwnd/2

      • 超过本阈值，结束慢启动，并开启拥塞避免
      • 三个重复ACK，结束慢启动，快速重传，快速恢复

    • 避免方法

      • 通过阈值，每个RTT只将cwnd值增加一个MSS
      • 实现：每收到一个包，将速率增加1/cwnd * MSS
      • 超时的包：cwnd = 1, 丢包事件：ssthreash = cwnd/2

    • 快速恢复

      • 对于每个收到的重复ACK，cwnd += MSS, 当丢失文段的ACK到达时， TCP在降低cwnd后进入拥塞避免状态
        • 出现超时事件：cwnd = 1, 慢启动
        • 丢包： cwnd = MSS, ssthresh = cwnd/2