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本文是以下文献相关内容的总结
[1] 《TCP/IP详解 卷1:协议》
[2] 《TCP/IP协议族 第4版》
[3] 《计算机网络 第5版》
TCP流量控制的目的是限制发送端的发送速率,使得接收方能够及时接收。TCP主要是通过滑动窗口来实现流量控制的。实际上,发送窗口的大小不仅受接收窗口rwnd的大小的限制,还受拥塞窗口cwnd窗口的限制,为了实现点到点的流量控制,本文假设拥塞窗口足够大(即网络链路比较流畅),仅考虑发送窗口swnd受接收窗口的限制。
窗口由左臂和右臂组成。左臂右移称为关闭,右臂左移称为收缩,右臂右移称为打开。
发送窗口和接收窗口的移动操作
接收窗口:当接收方收到发送方的更多的字节时(不包括重复的报文段),接收窗口关闭,当接收缓存中的字节被接收进程pull时,接收窗口打开,通常接收窗口不会发送收缩操作。
发送窗口:发送窗口的关闭、收缩和打开受接收方的控制。当一个有效的确认时,发送窗口关闭;当接收方通告发送方允许的窗口大小可以更大时,发送窗口会打开;当接收方通告发送方允许的窗口大小更小时,发送窗口就收缩,但是TCP强烈不建议发送窗口收缩。
注意:TCP窗口的单位是字节,不是报文段。所以TCP窗口中,每一格对应1B。
利用滑动窗口进行流量控制过程
上图中,在发送端与接收端建立连接时,接收端告诉发送端当前接收窗口rwnd=400,所以发送端最多能够发送400B,假设每一个报文段为100B。发送端连续发送4个报文段,分别是1-100,101-200,201-300,301-400,401-500,发送后数据段101-200在路上丢失了,其他几个报文都被接收了,并放入到接收缓存中,接收方便向发送方发送1-200报文段的ACK,并期望收到序号为201对应的报文段,同时设置接收窗口大小rwnd=300,发送端便重传序号201对应的报文段。当接收端收到该报文段后,并向发送端发送前500个报文的ACK,并期望收到序号为501的报文段,并设置接收窗口rwnd=100,发送端收到该ACK报文段后,便向接收端发送序号为501-600的报文段,接收端收到该报文段后,发送ACK报文段,并设置rwnd=0,意在通知发送端不要暂时再发送数据段。
糊涂窗口综合症
当发送应用程序产生数据的速度很慢,或接收应用程序消耗数据的速度很慢,或者两者都有,都会使得发送数据的报文段很小,使得网络效率非常低,这个问题称为糊涂窗口综合症SWS(silly window syndrome)。
发送方产生的症状
如果发送方应用程序产生数据的速度很慢,例如一次只产生1B,那么就有可能产生糊涂窗口综合症。解决的方法是防止发送TCP一次只发送1B。必须让发送TCP等待,并把数据收集成较大的数据块后再发送。
发送TCP需要等待多长时间再发送呢?
如果等待时间过长,则会延迟整个过程。如果等待时间过短,最后很可能还是发送一个个小报文段。Nagle提出了一种解决的方法,我们称之为Nagle算法,步骤如下:
1.发送TCP把它从应用程序收到的第一块数据发送出去,哪怕只有一个字节;
2.在发送了第一个报文段后,发送TCP先把发送应用程序后续到达的数据字节缓存起来,直到收到接收端发来的ACK,或者已积累了足够的数据,发送TCP就可以发送这个报文段了。
注意:足够的数据指的是数据达到0.5*MSS(最大报文段长度的一半)或者发送窗口大小的一半时。
接收方产生的症状
如果接收端应用程序pull速度很慢,例如一次只消耗1B的数据,若TCP接收方的缓存已满,而应用程序一次只能从接收缓存中读取1B,然后向发送方发送ACK,并把窗口设置为1B(因为从接收缓存中取出了1B),但发送方的缓存中有很多数据,这样发送方有只能一次发送1B,接收方发回确认,仍然将窗口设置为1B,这样进行下去,网络的效率非常低,此时可以采取两种解决方法:
方法1:采用Clark解决方法,该方法是:接收端只要有数据到达就向发送端发送零值窗口ACK报文段,直到(1)缓存中有足够大的空间可以放入1MSS报文段,或者(2)至少有一半的缓存空间空闲。只要出现这两种情况之一,接收端就向发送端发送非零值窗口ACK报文。
方法2:推迟确认。当报文段到达时并不立即发送确认,接收方在对收到的报文段进行确认之前一直等待,直至接收缓存有足够的空间为止。推迟发送确认防止了发送TCP滑动它的窗口。推迟确认的另外一个优点:减少了网络的通信量;对应的缺点是:如果推迟的时间比较长,会使得发送方以为发送的报文丢失,而产生不必要的重传。
总之,发送方和接收方可以配合解决该问题。总体的思想是:发送方不发送很小的报文段的同时,接收方也不要在缓存刚刚有了一点小空间就急忙把这个很小的窗口大小信息通知发送方。
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