计算机网络 运输层（二）TCP的实现

计算机网络（十三）

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—— 运输层 ——

上接《计算机网络 运输层（一）》

《计算机网络 运输层（一）》

5 TCP 报文段的首部格式

• TCP 虽然是面向字节流的，但 TCP 传送的数据单元却是报文段。
• 一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分，而 TCP 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。
• TCP 报文段首部的前 20 个字节是固定的，后面有 4n 字节是根据需要而增加的选项 (n 是整数)。因此 TCP 首部的最小长度是 20 字节。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

5.1 为什么要规定 MSS

• MSS 与接收窗口值没有关系。
• 若选择较小的 MSS 长度，网络的利用率就降低。
• 当 TCP 报文段只含有 1 字节的数据时，在 IP 层传输的数据报的开销至少有 40 字节(包括 TCP 报文段的首部和 IP 数据报的首部)。这样，对网络的利用率就不会超过 1/41。到了数据链路层还要加上一些开销。
• 若 TCP 报文段非常长，那么在 IP 层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的 TCP 报文段。当传输出错时还要进行重传。这些也都会使开销增大。
• 因此，MSS 应尽可能大些，只要在 IP 层传输时不需要再分片就行。
• 由于 IP 数据报所经历的路径是动态变化的，因此在这条路径上确定的不需要分片的 MSS，如果改走另一条路径就可能需要进行分片。
• 因此最佳的 MSS 是很难确定的。

5.2 其他选项

• 窗口扩大选项 ——占 3 字节，其中有一个字节表示移位值 S。新的窗口值等于 TCP 首部中的窗口位数增大到 (16 + S)，相当于把窗口值向左移动 S 位后获得实际的窗口大小。
• 时间戳选项——占 10 字节，其中最主要的字段时间戳值字段（4 字节）和时间戳回送回答字段（4 字节）。
• 选择确认选项——在后面介绍。

6 TCP 可靠传输的实现

6.1 以字节为单位的滑动窗口

• TCP 的滑动窗口是以字节为单位的。
• 现假定 A 收到了 B 发来的确认报文段，其中窗口是 20 字节，而确认号是 31（这表明 B 期望收到的下一个序号是 31，而序号 30 为止的数据已经收到了）。
• 根据这两个数据，A 就构造出自己的发送窗口，
  
  
  
  
  
  

6.1.1 发送缓存与接收缓存的作用

• 发送缓存用来暂时存放：
  • 发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据；
  • TCP 已发送出但尚未收到确认的数据。
• 接收缓存用来暂时存放：
  • 按序到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据；
  • 不按序到达的数据。

【注意】

• 第一，A 的发送窗口并不总是和 B 的接收窗口一样大（因为有一定的时间滞后）。
• 第二，TCP 标准没有规定对不按序到达的数据应如何处理。通常是先临时存放在接收窗口中，等到字节流中所缺少的字节收到后，再按序交付上层的应用进程。
• 第三，TCP 要求接收方必须有累积确认的功能，这样可以减小传输开销。

6.1.2 接收方发送确认

• 接收方可以在合适的时候发送确认，也可以在自己有数据要发送时把确认信息顺便捎带上。
• 但请注意两点：
  • 第一，接收方不应过分推迟发送确认，否则会导致发送方不必要的重传，这反而浪费了网络的资源。。
  • 第二，捎带确认实际上并不经常发生，因为大多数应用程序很少同时在两个方向上发送数据。

6.2 超时重传时间的选择

• 重传机制是 TCP 中最重要和最复杂的问题之一。
• TCP 每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。
• 只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。
• 重传时间的选择是 TCP 最复杂的问题之一。

6.2.1 TCP 超时重传时间设置

• 如果把超时重传时间设置得太短，就会引起很多报文段的不必要的重传，使网络负荷增大。
• 但若把超时重传时间设置得过长，则又使网络的空闲时间增大，降低了传输效率。
• TCP 采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时间 RTT。

6.2.2 加权平均往返时间

• TCP 保留了 RTT 的一个加权平均往返时间 RTT_S（这又称为平滑的往返时间）。
• 第一次测量到 RTT 样本时，RTTS 值就取为所测量到的 RTT 样本值。以后每测量到一个新的 RTT 样本，就按下式重新计算一次 RTT_S：
  
• 式中，0<α<1。若 α 很接近于零，表示 RTT 值更新较慢。若选择α 接近于 1，则表示 RTT 值更新较快。
• RFC 2988 推荐的 α 值为 1/8，即 0.125。

6.2.2 超时重传时间 RTO

• RTO (Retransmission Time-Out) 应略大于上面得出的加权平均往返时间 RTT_S。
• RFC 2988 建议使用下式计算 RTO：
  
• RTT_D 是 RTT 的偏差的加权平均值。
• RFC 2988 建议这样计算 RTT_D。第一次测量时，RTT_D 值取为测量到的 RTT 样本值的一半。在以后的测量中，则使用下式计算加权平均的 RTT_D：
  
• β个小于 1 的系数，其推荐值是 1/4，即 0.25。

6.2.3 往返时间 (RTT) 的测量

往返时间 (RTT) 的测量相当复杂

• TCP 报文段 1 没有收到确认。重传（即报文段 2）后，收到了确认报文段 ACK。
• 如何判定此确认报文段是对原来的报文段 1 的确认，还是对重传的报文段 2 的确认？
  

6.2.4 Karn 算法

• 在计算平均往返时间 RTT 时，只要报文段重传了，就不采用其往返时间样本。
• 这样得出的加权平均平均往返时间 RTT_S 和超时重传时间 RTO 就较准确。
• 但是，这又引起新的问题。当报文段的时延突然增大了很多时，在原来得出的重传时间内，不会收到确认报文段。于是就重传报文段。但根据 Karn 算法，不考虑重传的报文段的往返时间样本。这样，超时重传时间就无法更新。

修正的 Karn 算法

• 报文段每重传一次，就把 RTO 增大一些：
  
• 系数 γ 的典型值是 2 。
• 当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时延更新平均往返时延 RTT 和超时重传时间 RTO 的数值。
• 实践证明，这种策略较为合理。

6.2.5 接收到的字节流序号不连续

6.3 选择确认 SACK

• 接收方收到了和前面的字节流不连续的两个字节块。
• 如果这些字节的序号都在接收窗口之内，那么接收方就先收下这些数据，但要把这些信息准确地告诉发送方，使发送方不要再重复发送这些已收到的数据。

6.3.1 RFC 2018 的规定

• 如果要使用选择确认，那么在建立 TCP 连接时，就要在 TCP 首部的选项中加上“允许 SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。
• 如果使用选择确认，那么原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。只是以后在 TCP 报文段的首部中都增加了 SACK 选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。
• 由于首部选项的长度最多只有 40 字节，而指明一个边界就要用掉 4 字节，因此在选项中最多只能指明 4 个字节块的边界信息。

后续内容查看《计算机网络 运输层（三）》