TCP/IP詳解學習筆記(11)-TCP交互數據流，成塊數據流

目前建立在TCP協議上的網絡協議特別多，有telnet，ssh，有ftp，有http等等。這些協議又可以根據數據吞吐量來大致分成兩大類：(1)交互數據類型，例如telnet，ssh，這種類型的協議在大多數情況下只是做小流量的數據交換，比如說按一下鍵盤，回顯一些文字等等。(2)數據成塊類型，例如ftp，這種類型的協議要求TCP能儘量的運載數據，把數據的吞吐量做到最大，並儘可能的提高效率。針對這兩種情況，TCP給出了兩種不同的策略來進行數據傳輸。

1.TCP的交互數據流

對於交互性要求比較高的應用，TCP給出兩個策略來提高發送效率和減低網絡負擔：（1）捎帶ACK。(2)Nagle算法（一次儘量多的發數據）。通常，在網絡速度很快的情況下，比如用lo接口進行telnet通信，當按下字母鍵並要求回顯的時候，客戶端和服務器將經歷發送按鍵數據->服務器發送按鍵數據的ack -> 服務器端發送回顯數據->客戶端發送回顯數據的ACK的過程，而其中的數據流量將是40bit + 41bit+41bit+40bit = 162bit，如果在廣域網裏面，這種小分組的TCP流量將會造成很大的網絡負擔。

1.1.捎帶ACK的發送方式

這個策略是說，當主機收到遠程主機的TCP數據報之後，通常不馬上發送ACK數據報，而是等上一個短暫的時間，如果這段時間裏面主機還有發送到遠程主機的TCP數據報，那麼就把這個ACK數據報“捎帶”着發送出去，把本來兩個TCP數據報整合成一個發送。一般的，這個時間是200ms。可以明顯地看到這個策略可以把TCP數據報的利用率提高很多。

1.2.Nagle算法

上過bbs的人應該都會有感受，就是在網絡慢的時候發貼，有時鍵入一串字符串以後，經過一段時間，客戶端“發瘋”一樣突然回顯出很多內容，就好像數據一下子傳過來了一樣，這就是Nagle算法的作用。

Nagle算法是說，當主機A給主機B發送了一個TCP數據報並進入等待主機B的ACK數據報的狀態時，TCP的輸出緩衝區裏面只能有一個TCP數據報，並且，這個數據報不斷地收集後來的數據，整合成一個大的數據報，等到B主機的ACK包一到，就把這些數據“一股腦”的發送出去。雖然這樣的描述有些不準確，但還算形象和易於理解，我們同樣可以體會到這個策略對於低減網絡負擔的好處。

在編寫插口程序的時候，可以通過TCP_NODELAY來關閉這個算法。並且，使用這個算法看情況的，比如基於TCP的X窗口協議，如果處理鼠標事件時還是用這個算法，那麼“延遲”可就非常大了。

2.TCP的成塊數據流

對於FTP這樣對於數據吞吐量有較高要求的要求，將總是希望每次儘量多的發送數據到對方主機，就算是有點“延遲”也無所謂。TCP也提供了一整套的策略來支持這樣的需求。TCP協議中有16個bit表示“窗口”的大小，這是這些策略的核心。

2.1.傳輸數據時ACK的問題

在解釋滑動窗口前，需要看看ACK的應答策略，一般來說，發送端發送一個TCP數據報，那麼接收端就應該發送一個ACK數據報。但是事實上卻不是這樣，發送端將會連續發送數據儘量填滿接受方的緩衝區，而接受方對這些數據只要發送一個ACK報文來回應就可以了，這就是ACK的累積特性，這個特性大大減少了發送端和接收端的負擔。

2.2.滑動窗口

滑動窗口本質上是描述接受方的TCP數據報緩衝區大小的數據，發送方根據這個數據來計算自己最多能發送多長的數據。如果發送方收到接受方的窗口大小爲0的TCP數據報，那麼發送方將停止發送數據，等到接受方發送窗口大小不爲0的數據報的到來。書中的P211和P212很好的解釋了這一點。

關於滑動窗口協議，書上還介紹了三個術語，分別是：

1. 窗口合攏：當窗口從左邊向右邊靠近的時候，這種現象發生在數據被髮送和確認的時候。

2. 窗口張開：當窗口的右邊沿向右邊移動的時候，這種現象發生在接受端處理了數據以後。

3. 窗口收縮：當窗口的右邊沿向左邊移動的時候，這種現象不常發生。

TCP就是用這個窗口，慢慢的從數據的左邊移動到右邊，把處於窗口範圍內的數據發送出去（但不用發送所有，只是處於窗口內的數據可以發送。）。這就是窗口的意義。圖20-6解釋了這一點。窗口的大小是可以通過socket來制定的，4096並不是最理想的窗口大小，而16384則可以使吞吐量大大的增加。

2.3.數據擁塞

上面的策略用於局域網內傳輸還可以，但是用在廣域網中就可能會出現問題，最大的問題就是當傳輸時出現了瓶頸（比如說一定要經過一個slip低速鏈路）所產生的大量數據堵塞問題（擁塞），爲了解決這個問題，TCP發送方需要確認連接雙方的線路的數據最大吞吐量是多少。這，就是所謂的擁塞窗口。

擁塞窗口的原理很簡單，TCP發送方首先發送一個數據報，然後等待對方的迴應，得到迴應後就把這個窗口的大小加倍，然後連續發送兩個數據報，等到對方迴應以後，再把這個窗口加倍（先是2的指數倍，到一定程度後就變成現行增長，這就是所謂的慢啓動），發送更多的數據報，直到出現超時錯誤，這樣，發送端就瞭解到了通信雙方的線路承載能力，也就確定了擁塞窗口的大小，發送方就用這個擁塞窗口的大小發送數據。要觀察這個現象是非常容易的，我們一般在下載數據的時候，速度都是慢慢“衝起來的”

以上就是TCP數據傳輸的大致流程，雖然並不細緻，但是足以描述TCP的工作原理，重點是TCP的流量控制原理，滑動窗口，擁塞窗口，ACK累計確認等知識點。