网络3️⃣TCP-可靠性-窗口

1、滑动窗口

1.1、窗口

TCP 的数据单位是段（segment）

如果每发送一个段就需要进行一次 ACK 处理，通信性能差。

窗口：ACK 以窗口大小为单位，而不是以段为单位。

  • 窗口大小：无需等待 ACK，而可以发送数据的最大值。
  • 窗口实现：操作系统开辟的一个缓冲区（Buffer）。
    • 发送方主机：在收到 ACK 之前，需要在缓冲区中保留已发送的数据。
    • 接收方主机：在收到乱序的数据时，在缓冲区中保留这部分数据。

累计应答（aka. 累计确认）：

在窗口中的数据即使某个 ACK 丢失，发送方可以根据下一个 ACK 进行确认。

示例：假设窗口大小 = 3 个 TCP 段。

  • 发送方可以连续发送 3 个段，接收方回复的某个 ACK 报文丢失。

  • 发送方可以通过后面的 ACK，确认之前的所有数据都已被接收。

    用滑动窗口方式并行处理

1.2、滑动窗口

1.2.1、发送方

四区三针

根据数据处理情况，分为四部分。

  • #1：已发送，已收到 ACK。

  • 发送窗口：假设 20 个字节，包括两部分数据。

    • #2：已发送，未收到 ACK。
    • #3：未发送，大小在接收方处理范围内（可发送）。

  • #1：未发送，大小超过接收方处理范围（无法发送）。

收到 ACK 报文后，将窗口滑动到确认应答号的位置。

程序表示-指针

程序是如何表示发送方的四个部分的呢？

TCP 滑动窗口中，使用 3 个指针来跟踪在四个传输类别中的字节。

  • 2 个绝对指针：指向特定的序列号。

    • SND.UNA（Send Unacknoleged）：指向已发送但未收到 ACK 的首个字节的序列号（滑动窗口的首个）。
    • SND.NXT（Send Next）：指向未发送但可发送的首个字节的序列号（可用窗口的首个）。

  • 1 个相对指针：需要做偏移。

    • SND.WND（Send Window）：表示发送窗口的大小，由接收方指定。

  • 计算公式：

    • UNA + SND = 未发送且无法发送的首个字节的序列号。
    • 可用窗口大小 = SND.WND -（SND.NXT - SND.UNA）

    SND.WND、SND.UN、SND.NXT

1.2.2、接收方

三区二针

根据数据处理情况，分为三部分。

  • #1, #2：已接收，已确认（等待应用进程读取）。

  • 接收窗口：

    • #3：未收到，可接收。

  • #4：未收到，不可接收。

    接收窗口

程序表示-指针

  • 1 个绝对指针：指向特定的序列号。
    • RCV.NXT（Receive Unacknoleged）：指向未收到但可接收的首个字节的序列号（接收窗口的首个，i.e. 期望收到的下一个数据字节的序列号）。
  • 1 个相对指针：需要做偏移。
    • RCV.WND（Receive Window）：表示接收窗口的大小。
  • 计算公式：NXT + WND = 未收到数据且不可接收的首个字节的序列号。

1.2.3、接收窗口=发送窗口?

接收窗口和发送窗口接近，但不完全相等。

原因：

  1. 滑动窗口是一直在改变的。
  2. 接收窗口大小（Window）是通过 TCP 报文传输告知的，存在时延。

2、流量控制

流量控制（aka. 流控制）：发送方根据接收方的实际接收能力，控制发送的数据量。

实现：TCP 首部的 Window 字段。

  • 接收方：将自己接收缓冲区的大小放入 Window 字段（i.e. 窗口大小），告知发送端。
  • 发送方：根据 Window 值调整发送缓冲区的大小，发送的数据不超过窗口大小。

2.1、缓冲区调整

发送方和接收方的缓冲区均由操作系统分配，因此操作系统会调整缓冲区大小。

可能情况：

  1. 接收方的应用程序没有及时读取缓存。👉 缓冲区大小不变，但 Window 不断缩小，甚至发生窗口关闭。

  2. 接收方的系统资源紧张。👉 缓冲区大小被操作系统减少，容易发生丢包。

在情况 2 中，先减少缓存、后收缩窗口，就会导致丢包。

TCP 规定：

  • 不允许同时减少缓存和收缩窗口。
  • 采用先收缩窗口，过段时间再减少缓存，从而避免丢包。

2.2、窗口关闭

窗口关闭：当窗口大小为 0，发送方就会停止发送数据。

直到得知窗口变为非 0。

  • 存在风险：死锁
  • 对策：窗口探测

2.2.1、死锁

假设发生窗口关闭一段时间后，接收方已恢复接收能力。

  • 接收方：需要通过 ACK 报文，通告发送方 Window 大小。

  • 发送方：窗口关闭后会停止发送数据，直到接收到 Window 非 0 的 ACK 报文。

  • 如果此 ACK 报文丢失，发送方和接收方会相互等待，造成死锁。

    窗口关闭潜在的危险

2.2.2、窗口探测

持续计时器：TCP 为每个连接设置一个持续计时器，当其中一方收到对方的零窗口通知时启动。

窗口探测（Window probe）：探测包仅含一个字节。

  • 探测机制：当持续计时器超时后，发送方会发送窗口探测报文，以获取最新的窗口大小。

    • 为 0：重置持续计时器。
    • 非 0：继续发送数据。

  • 探测次数：一般为 3 次。

    • 每次大约 30-60s（不同的实现可能不同）。
    • 如果 3 次过后接收窗口仍为 0，有些 TCP 实现会发 RST 报文来中断连接。

    窗口探测

2.3、糊涂窗口综合症

Silly Window Syndrome：当发送方发送数据缓慢，或接收方读取数据缓慢，或二者兼有。

会导致通信中传送的数据（有效载荷）很小，但传输开销（首部信息）很大。

e.g. 数据只有 1 字节，开销需要 40 字节（IP 首部 20 + TCP 首部 20）

如何避免：同时满足以下条件。

  • 接收方不通告小窗口
  • 发送方不发送小数据

① 接收方不通告小窗口

接收方策略：对比 窗口大小 和 min{MSS, 缓存空间/2}（i.e. MSS 和 1/2 缓存空间中的较小值）

  1. 当 窗口大小 < min{...} 时认为是小窗口，通告窗口为 0。
  2. 处理部分数据后，当窗口大小 >= min{...}，通告当前实际窗口大小（非 0）。

② 发送方不发送小数据

发送方策略：Nagle 算法（延迟处理思想）

至少满足以下条件之一才可发送数据，否则一直囤积数据。

  1. 窗口大小和数据大小均 >= MSS。

  2. 收到已发送数据的 ACK 确认报文。

    // 伪代码
if 有数据要发送 {
    if 可用窗口大小 >= MSS and 可发送的数据 >= MSS {
        立刻发送MSS大小的数据
    } else {
        if 有未确认的数据 {
            将数据放入缓存等待接收ACK
        } else {
            立刻发送数据
        }
    }
}

Nagle 算法说明

  • 使用前提：接收方不通告小窗口，否则用于通告的 ACK 报文很容易满足上述条件 2。

  • 开启/关闭：Nagle 算法默认开启。

    • 对于需要小数据包交互场景的程序（e.g. Telnet, SSH），则需关闭。

    • 没有全局参数用于关闭 Nagel 算法，需要根据应用特点来关闭（e.g. Socket 的 TCP_NODELAY 选项）。

      setsockopt(sock_fd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&value, sizeof(int));

结论：接收方不通告小窗口 + 发送方开启 Nagel，才能避免糊涂窗口综合征

3、拥塞控制

流量控制和拥塞控制都是为了避免发送方发送的数据过多，但侧重点不同。

  • 流量控制：避免数据填满接收方缓冲区。
  • 拥塞控制：避免数据填满整个网络。
    • 计算机网络处在一个共享的环境，可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。
    • 在网络拥堵时，继续发送大量数据包可能会导致时延、丢失等，进而触发重传机制。
    • 重传机制会进一步加剧网络拥堵，陷入恶性循环......

3.1、拥塞窗口

cwnd（Congestion Window）：发送方维护的状态变量，用于调节发送方所发送的数据量。

  • cwnd 大小：不会使网络拥塞的窗口大小。
  • 变化规律：根据网络拥塞程度动态变化。
    • 网络没有出现拥塞：cwnd 增大.
    • 网络出现拥塞：cwnd 减小。
  • 判定网络拥塞：发送方触发超时重传（没有在规定时间内收到 ACK 报文），就认为网络出现拥塞。

cwnd 和 swnd 的关系

  • 假如没有 cwnd，发送窗口（swnd）约等于接收窗口（rwnd）。
  • 引入 cnwd 后，发送窗口 swnd = min{cwnd, rwnd}，避免数据填满网络和接收方填充区。

3.2、拥塞控制算法

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

① 慢启动

Slow Start：一点点的提高发送数据包的数量。

  • 规则：初始 cwnd = 1MSS，每收到一次 ACK 报文 cwnd + 1。

  • 特点：cwnd 呈指数增长。

    慢启动算法

慢启动阈值

ssthresh (slow start threshold)：发送方维护的另一个状态变量。

通常是 65535 字节。

  • cwnd < ssthresh 时：使用慢启动算法，cwnd 每次 +1。
  • cwmd >= ssthresh 时，使用拥塞避免算法，cwnd 每次 + 1/cwnd 。

ssthresh 的值在触发重传时更新。

超时重传和快速重传时触发的算法不同，设置的值也不同。👇具体见下文

  • 超时重传：触发拥塞发生算法，ssthresh = cwnd / 2。
  • 快速重传：触发快速恢复算法，ssthresh = cwnd / 2 且 cwnd = ssthresh + 3。

② 拥塞避免

Congestion Avoidance

  • 规则：每收到一次 ACK 报文 cwnd 增加 1/cwnd。
  • 特点：cwnd 呈线性增长。

假设 ssthresh = 8，每个 ACK 增加 1/8

  • 收到 8 个 ACK 之前，只能发送 8MSS 数据。

  • 收到 8 个 ACK 之后，ssthresh = 9，可以发送 9MSS 数据。

  • 以此类推，线性增长。

    拥塞避免

③ 拥塞发生

发生超时重传时，会触发拥塞发生算法。

变化如下：

  • ssthresh = cwnd / 2

  • cwnd = 初始值

    • i.e. 拥塞算法后会重新开始慢启动。
    • Linux 的初始值是 10MMS，可通过 ss -nli 指令查看每个 TCP 连接的 cwnd 初始值。

图示（假设 ssthresh 初始值为8，cwnd 初始值为 1）

假设在第 7 轮发生超时重传，此时 cwnd = 12。

  • 更新 ssthresh = cwnd / 2 = 6

  • 更新 cwnd = 1

    拥塞发送 —— 超时重传

一旦发生超时重传，cwnd 急剧减少，容易造成网络卡顿。

更好的方法是快速重传+快速回复。

④ 快速恢复

当发生快速重传时，会触发快速恢复算法。

变化如下：

  • ssthresh = cwnd / 2
  • cwnd = ssthresh + 3
    • 发生快速重传时，接收方已经收到 3 个相同的 ACK 报文，意味着网络中已经消失了 3 个报文。
    • 因此接收方可以多发送 3 个报文，即 cwnd 可增加 3MMS。

更新 ssthresh 和 cwnd 时，也会重传丢失的包。

  • 又收到重复的 ACK：cwnd + 1，如果达到 3 次再次触发快速重传+快速恢复。

  • 收到新数据的 ACK：快速恢复结束，cwnd = ssthresh。

    • 也就是说，快速恢复后回到拥塞避免（而不是从慢启动开始）。

      快速重传和快速恢复

posted @ 2023-07-03 01:35  Jaywee  阅读(20)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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