学习记录——运输层（4）

所用教材为： 计算机网络（第六版） 谢希仁 编著

TCP的流量控制

  一、利用滑动窗口实现流量控制

            （一）流量控制：让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。
            （二）利用滑动窗口机制实现：
                      


         （三）为解决可能出现的死锁局面，需要持续计时器
                     TCP为每一个连接设有一个持续计时器。只要TCP连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。
                     


      （四）必须考虑传输效率

TCP的拥塞控制

   一、拥塞控制的一般原理

             （一）什么是拥塞？

                        在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫拥塞。

             （二）出现拥塞的条件

                        对资源的需求>可用资源

             （三）拥塞产生的原因

                          （1）某个节点的缓存容量太小，分组被丢弃
                          （2）处理机速度太慢。
                          （3）会恶性循环

            （四）关于拥塞控制

                           （1）拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。
                           （2）拥塞控制的前提：网络能够承受现有的网络负荷。
                           （3）拥塞控制是一个全局性的过程。

            （五）拥塞控制所起的作用

                             

  二、几种拥塞控制方法

（一）慢开始和拥塞避免

           慢开始

          （1）拥塞窗口：
                      1、  由发送方维持
                      2、  大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。
                      3、  发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。
         （2）发送方控制拥塞窗口的原则：
                        只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。
                        但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。
         （3）慢开始算法的原理：
                   1、在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口cwnd=1,即设置为一个最大报文段MSS的数值。
                   2、每接收到一个新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值
                   3、用这样的方法逐步增大发送方放的拥塞窗口cwnd，可以使分组注入到网络中的速率更加合理。
         （4）慢开始算法举例：
            


                 
           ①使用慢开始算法后，每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍

           ②一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT

           ③“传输轮次”更加强调：把拥塞窗口cwnd 所允许发送的报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字节的确认

           ④例如，拥塞窗口 cwnd = 4，这时的往返时间 RTT 就是发送方连续发送 4 个报文段，并收到这 4 个报文段的确认，总共经历的时间

           ⑤慢开始的慢指：从cwnd＝1开始，而非cwnd的指数增长速度，逐步试探网络是否出现拥塞情况

      （6）慢开始门限状态变量 ssthresh

                设置的目的：为防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞

                用法：

                          当cwnd<ssthresh时，使用上述慢开始算法。

                          当cwnd> sstresh时，停止使用慢开始算法而该用拥塞避免算法

                          当cwnd = sstresh时，可以使用慢开始，也可以使用拥塞避免。

       拥塞避免

       （1）拥塞避免的思路： 
               让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RRT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍
                这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率慢得多。

      网络出现拥塞

       （1）无论在慢开始还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（根据就是没有按时收到确认），就要把慢开始门限sstresh设置为出现拥塞时的发送窗口值的一半（但不能小于2）。
       （2）然后把拥塞窗口cwnd重置为1，执行慢开始算法
       （3）目的是迅速减少主机发送到网络的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够的时间把队列中积压的分组处理完毕。  

 慢开始和拥塞避免算法的实现举例

      


         拥塞窗口增加到24时，网络出现超时（这很可能是网络发生拥塞了）。更新后的ssthresh值变为12.
       （1）乘法减小：
                 不论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要出现超时（即很可能出现了网络拥塞），就把慢开始门限值减半，即设置为当前拥塞窗口的一半。
                  与此同时，执行慢开始算法
                  当网络中频繁出现拥塞时，ssthresh值就下降的很快，大大减小注入到网络中的分组数
       （2）加法增大
                 指执行拥塞避免算法后，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。

强调：

       拥塞避免并非指完全能够避免了拥塞。拥塞避免是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性增长，使网络比较不容易出现拥塞。

（二）快重传和快恢复

   快重传算法

      （1）要点：
             1、要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认，以让发送方及早知道有报文段没有到达接收方。
             2、发送方只要一连收到3个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待为丢失帧（下图M3）设置的重传计时器到期。
      （2）举例
              

   快恢复算法

   （1）要点：
           1、当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。但不执行慢开始算法。
           2、由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞（如果网络出现了严重拥塞，就不会有一连好几个报文段连续到达接收方，也就不会导致接收方连续发送重复确认）
                 因此不执行慢开始算法（即拥塞窗口cwnd不设置为1），而是把cwnd值设置为慢开始门限ssthresh减半之后的数值，
                 然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。

  快重传和快恢复的示意图

           从连续收到三个重复的确认转入拥塞避免
   


     在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用

发送窗口的上限值

    

  三、随机早期检测RED

TCP的运输连接管理

关于管理

   （一） 运输连接的三个阶段：

              连接建立、数据传送、连接释放
              运输连接管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行。

   （二）TCP连接建立过程要解决的三个问题

             （1）要使每一方能够确知对方的存在
             （2）要允许双方协商一些参数（如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项和时间戳选项及服务质量等）
             （3）能够对运输实体资源（缓存大小、连接表中的项目等）进行分配

   （三）TCP连接的建立采用客户服务器方式

             主动发起连接的应用进程是客户
            被动等待连接的应用进程叫服务器

一、TCP的连接建立

   （一）三次握手

       


        （1）假定主机运行的是TCP客户程序，而B运行TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED状态

        （2）A 的 TCP向B发出连接请求报文段，

                其首部中的同步位 SYN= 1，并选择序号seq= x，表明传送数据时的第一个数据字节的序号是 x。

        （3）B 的 TCP收到连接请求报文段后，如同意，则发回确认。

                   B 在确认报文段中应使SYN= 1，使ACK= 1， 其确认号ack= x + 1，自己选择的序号seq= y。

        （4）A收到此报文段后向B给出确认，

                  其ACK= 1， 确认号 ack= y + 1。
                  A 的 TCP通知上层应用进程，连接已经建立。   

二、TCP的连接释放

  （一）图示TCP连接释放过程：四次握手

               


          数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。现在A和B都处于ESTABLISHED状态。
        （1）A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接
        （2）B收到连接释放报文段后即发出确认。
                  然后B进入CLOSED-WAIT状态
                  TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时的TCP连接处于半关闭状态，即A已经没有数据要发送了，但B若发送数据，A仍要接收
                A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2状态，等待B发出的连接释放报文段
        （3）若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。
                 B发出连接释放报文段。进入LAST_ACK状态，等待A的确认
        （4）A收到B的连接释放报文段后，必须对此发出确认。
                 发出确认报文段，进入到TIME_WAIT状态。但是，现在TCP连接还没有释放掉
        （5）必须经过时间等待计时器（TIME_WAIT）设置的时间2MSL后，A才进入到CLOSED状态。
                 当A撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接
        （6）B只要收到了A发送的确认，就进入CLOSED状态。
                 同样，B在撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP连接。

 为什么需要 时间等待计时器

   （一）为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。因为这个报文段有空不丢失。
   （二）防止“已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。

三、TCP的有限状态机

（一）图的介绍

             （1） 每一个方框即TCP可能具有的状态。
             （2）每个方框中的英文字符串是TCP标准所使用的TCP连接状态名。
             （3）状态之间的箭头表示可能发生的状态变迁
             （4）箭头旁边的字，表明引起这种变迁的原因，或表明发生状态变迁后又会出现什么动作。
                             粗实线箭头表示对客户进程的正常变迁
                             粗虚线箭头表示对服务器进程的正常变迁
                             细线箭头表示异常变迁。

（二）TCP的有限状态机（图）