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TCP超时与重传机制

时间:2018-06-14 01:17:43      阅读:182      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:完数   可靠   计时   闭包   哪些   保活   返回   tcp协议   输出   

TCP超时与重传机制 
   
  TCP协议是一种面向连接的可靠的传输层协议,它保证了数据的可靠传输,对于一些出错,超时丢包等问题TCP设计的超时与重传机制。其基本原理:在发送一个数据之后,就开启一个定时器,若是在这个时间内没有收到发送数据的ACK确认报文,则对该报文进行重传,在达到一定次数还没有成功时放弃并发送一个复位信号。 
  这里比较重要的是重传超时时间,怎样设置这个定时器的时间(RTO),从而保证对网络资源最小的浪费。因为若RTO太小,可能有些报文只是遇到拥堵或网络不好延迟较大而已,这样就会造成不必要的重传。太大的话,使发送端需要等待过长的时间才能发现数据丢失,影响网络传输效率。 
  由于不同的网络情况不一样,不可能设置一样的RTO,实际中RTO是根据网络中的RTT(传输往返时间)来自适应调整的。具体关系参考相关算法。 
  通过图来了解重传机制: 

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从图可以知道,发送方连续发送3个数据包,其中第二个丢失,没有被接收到,因此不会返回对应的ACK,没发送一个数据包,就启动一个定时器,当第二个包的定时器溢出了还没有收到ack,这时就进行重传。

 

TCP慢启动

  慢启动是TCP的一个拥塞控制机制,慢启动算法的基本思想是当TCP开始在一个网络中传输数据或发现数据丢失并开始重发时,首先慢慢的对网路实际容量进行试探,避免由于发送了过量的数据而导致阻塞。 
  慢启动为发送方的TCP增加了另一个窗口:拥塞窗口(congestion window),记为cwnd。当与另一个网络的主机建立TCP连接时,拥塞窗口被初始化为 1个报文段(即另一端通告的报文段大小)。每收到一个ACK,拥塞窗口就增加一个报文段(cwnd以字节为单位,但是慢启动以报文段大小为单位进行增加)。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。拥塞窗口是发送方使用的流量控制,而通告窗口则是接收方使用的流量控制。发送方开始时发送一个报文段,然后等待 ACK。当收到该ACK时,拥塞窗口从1增加为2,即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的 A C K时,拥塞窗口就增加为4。这是一种指数增加的关系。

 

拥塞避免算法

  网络中拥塞的发生会导致数据分组丢失,需要尽量避免。在实际中,拥塞算法与慢启动通常在一起实现,其基本过程: 
   1. 对一个给定的连接,初始化cwnd为1个报文段,ssthresh为65535个字节。 
   2. TCP输出例程的输出不能超过cwnd和接收方通告窗口的大小。拥塞避免是发送方使用 的流量控制,而通告窗口则是接收方进行的流量控制。前者是发送方感受到的网络拥塞的估 计,而后者则与接收方在该连接上的可用缓存大小有关。 
   3. 当拥塞发生时(超时或收到重复确认),ssthresh被设置为当前窗口大小的一半(cwnd 和接收方通告窗口大小的最小值,但最少为2个报文段)。此外,如果是超时引起了拥塞,则 cwnd被设置为1个报文段(这就是慢启动)。 
   4. 当新的数据被对方确认时,就增加cwnd,但增加的方法依赖于是否正在进行慢启动或拥塞避免。如果cwnd小于或等于ssthresh,则正 在进行慢启动,否则正在进行拥塞避免。慢启动一直持续到回到当拥塞发生时所处位置的半时候才停止(因为记录了在步骤2 中制造麻烦的窗口大小的一半),然后转为执行拥塞避免。 
   慢启动算法初始设置cwnd为1个报文段,此后每收到一个确认就加 1。那样,这会使窗口按指数方式增长:发送 1个报文段,然后是2个,接着是4个……。

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在该图中,假定当cwnd为32个报文段时就会发生拥塞。于是设置 ssthresh为16个报文段,而cwnd为1个报文段。在时刻 0发送了一个报文段,并假定在时刻 1接收到它的ACK,此时cwnd增加为2。接着发送了2个报文段,并假定在时刻 2接收到它们的ACK,于是cwnd增加为4(对每个ACK增加1次)。这种指数增加算法一直进行到在时刻3和4之间收到8个ACK后cwnd等于ssthresh时才停止,从该时刻起,cwnd以线性方式增加,在每个往返时间内最多增加 1个报文段。

 

 

 

 

  什么是计时器呢?我们可以理解成一块闹钟,隔一段时间响一次,提醒TCP做特定的事情。TCP要正常工作,必须要有特定的计时器。那么TCP中有哪些计时器呢?

  TCP中有四种计时器(Timer),分别为:

    1.重传计时器:Retransmission Timer

    2.坚持计时器:Persistent Timer

    3.保活计时器:Keeplive Timer

    4.时间等待计时器:Timer_Wait Timer

  (1)重传计时器

    大家都知道TCP是保证数据可靠传输的。怎么保证呢?带确认的重传机制。在滑动窗口协议中,接受窗口会在连续收到的包序列中的最后一个包向接收端发送一个ACK,当网络拥堵的时候,发送端的数据包和接收端的ACK包都有可能丢失。TCP为了保证数据可靠传输,就规定在重传的“时间片”到了以后,如果还没有收到对方的ACK,就重发此包,以避免陷入无限等待中。

  当TCP发送报文段时,就创建该特定报文的重传计时器。可能发生两种情况:

  1.若在计时器截止时间到之前收到了对此特定报文段的确认,则撤销此计时器。

  2.若在收到了对此特定报文段的确认之前计时器截止时间到,则重传此报文段,并将计时器复位。

  (2)持久计时器

  先来考虑一下情景:发送端向接收端发送数据包知道接受窗口填满了,然后接受窗口告诉发送方接受窗口填满了停止发送数据。此时的状态称为“零窗口”状态,发送端和接收端窗口大小均为0.直到接受TCP发送确认并宣布一个非零的窗口大小。但这个确认会丢失。我们知道TCP中,对确认是不需要发送确认的。若确认丢失了,接受TCP并不知道,而是会认为他已经完成了任务,并等待着发送TCP接着会发送更多的报文段。但发送TCP由于没有收到确认,就等待对方发送确认来通知窗口大小。双方的TCP都在永远的等待着对方。

  要打开这种死锁,TCP为每一个链接使用一个持久计时器。当发送TCP收到窗口大小为0的确认时,就坚持启动计时器。当坚持计时器期限到时,发送TCP就发送一个特殊的报文段,叫做探测报文。这个报文段只有一个字节的数据。他有一个序号,但他的序号永远不需要确认;甚至在计算机对其他部分的数据的确认时该序号也被忽略。探测报文段提醒接受TCP:确认已丢失,必须重传。

  坚持计时器的值设置为重传时间的数值。但是,若没有收到从接收端来的响应,则需发送另一个探测报文段,并将坚持计时器的值加倍和复位。发送端继续发送探测报文段,将坚持计时器设定的值加倍和复位,直到这个值增大到门限值(通常是60秒)为止。在这以后,发送端每个60秒就发送一个探测报文,直到窗口重新打开。

  (3)保活计时器

    保活计时器使用在某些实现中,用来防止在两个TCP之间的连接出现长时间的空闲。假定客户打开了到服务器的连接,传送了一些数据,然后就保持静默了。也许这个客户出故障了。在这种情况下,这个连接将永远的处理打开状态。

  要解决这种问题,在大多数的实现中都是使服务器设置保活计时器。每当服务器收到客户的信息,就将计时器复位。通常设置为两小时。若服务器过了两小时还没有收到客户的信息,他就发送探测报文段。若发送了10个探测报文段(每一个像个75秒)还没有响应,就假定客户除了故障,因而就终止了该连接。

  这种连接的断开当然不会使用四次握手,而是直接硬性的中断和客户端的TCP连接。

  (4)时间等待计时器

  时间等待计时器是在四次握手的时候使用的。四次握手的简单过程是这样的:假设客户端准备中断连接,首先向服务器端发送一个FIN的请求关闭包(FIN=final),然后由established过渡到FIN-WAIT1状态。服务器收到FIN包以后会发送一个ACK,然后自己有established进入CLOSE-WAIT.此时通信进入半双工状态,即留给服务器一个机会将剩余数据传递给客户端,传递完后服务器发送一个FIN+ACK的包,表示我已经发送完数据可以断开连接了,就这便进入LAST_ACK阶段。客户端收到以后,发送一个ACK表示收到并同意请求,接着由FIN-WAIT2进入TIME-WAIT阶段。服务器收到ACK,结束连接。此时(即客户端发送完ACK包之后),客户端还要等待2MSL(MSL=maxinum segment lifetime最长报文生存时间,2MSL就是两倍的MSL)才能真正的关闭连接。

 

 

 

 

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TCP超时与重传机制

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原文地址:https://www.cnblogs.com/duan2/p/9180861.html

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