JAVAEE之网络原理_传输控制协议(TCP)的滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延迟应答、捎带应答机制

前言

 在前面几节,我们讲解了TCP协议的基本概念、报文格式。还介绍了确认应答机制、超时重传、连接管理机制,在本节中 我们将会继续介绍TCP协议的其他机制。


一、滑动窗口机制(效率机制)

 在前面的章节中我们讨论了确认应答策略,对每一个发送的数据段,都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点,就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候。
在这里插入图片描述

  • 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000 个字节(四个段)。
  • 发送前四个段的时候,不需要等待任何ACK,直接发送; 收到第一个ACK后,滑动窗口向后移动,继续发送第五个段的数据;依次类推;
  • 操作系统内核为了维护这个滑动窗口,需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应 答;只有确认应答过的数据,才能从缓冲区删掉;
  • 窗口越大,则网络的吞吐率就越高;

如果出现了丢包,如何进行重传?

情况一:数据包已经抵达,ACK丢了

在这里插入图片描述
&esmp;在这种情况下,部分ACK丢失了不要紧,因为可以通过后的ACK进行确认。

情况二:数据包直接丢了

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  • 当某一段报文段丢失之后,发送端会一直收到 1001 这样的ACK,就像是在提醒发送端 “我想要的是 1001” 一样;
  • 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答,就会将对应的数据 1001 -2000 重新发送;
  • 这个时候接收端收到了 1001 之后,再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了,被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;

这种机制被称为 “高速重发控制”(也叫 “快重传”)。

二、流量控制机制(安全机制)

 接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快,导致接收端的缓冲区被打满,这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包,继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
 因此,TCP支持根据接收端的处理能力,来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制(FlowControl)

  • 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段,通过ACK端通知发送端;
  • 窗口大小字段越大,说明网络的吞吐量越高;
  • 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了,就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
  • 发送端接受到这个窗口之后,就会减慢自己的发送速度;
  • 如果接收端缓冲区满了,就会将窗口置为0;这时发送方不再发送数据,但是需要定期发送一个窗口探测数据段,使接收端把窗口大小告诉发送端。

三、拥塞控制(安全机制)

 虽然TCP有了滑动窗口机制,能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据,仍然可能引发问题。因为网络上有很多的计算机,可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下,贸然发送大量的数据,是很有可能引起更加阻塞的问题。

&emsp:针对拥塞问题,TCP引入 慢启动 机制,先发少量的数据,探探路,摸清当前的网络拥堵状态,再决定按照多大的速度传输数据;

慢启动算法(Slow Start)过程

1. 刚开始先引入一个拥塞窗口

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  • 发送开始的时候,定义拥塞窗口大小为1;
  • 每次收到一个ACK应答,拥塞窗口加1;
  • 每次发送数据包的时候,将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较,取较小的值作为实际发送的窗口;

2.像上面这样的拥塞窗口增长速度,是指数级别的。“慢启动” 只是指初使时慢,但是增长速度非常快

  • 为了不增长的那么快,因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。
  • 此处引入一个叫做慢启动的阈值
  • 当拥塞窗口超过这个阈值的时候,不再按照指数方式增长,而是按照线性方式增长。

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  • 当TCP开始启动的时候,慢启动阈值等于窗口最大值;
  • 在每次超时重发的时候,慢启动阈值会变成原来的一半,同时拥塞窗口置回。

 少量的丢包,我们仅仅是触发超时重传;大量的丢包,我们就认为网络拥塞;当TCP通信开始后,网络吞吐量会逐渐上升;随着网络发生拥堵,吞吐量会立刻下降;
 拥塞控制,归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方,但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。

四、延迟应答(效率机制)

 如果接收数据的主机立刻返回ACK应答,这时候返回的窗口可能比较小。窗口越大,网络吞吐量就越大,传输效率就越高。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;

那么所有的包都可以延迟应答吗?

  • 数量限制:每隔N个包就应答一次;
  • 时间限制:超过最大延迟时间就应答一次;

具体的数量和超时时间,依操作系统不同也有差异;一般N取2,超时时间取200ms;
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五、捎带应答(效率机制)

 在延迟应答的基础上,我们发现,很多情况下,客户端服务器在应用层也是 “一发一收” 的。意味着客户端给服务器说了 “How are you”,服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”;
 那么这个时候ACK就可以搭顺风车,和服务器回应的 “Fine,thank you” 一起回给客户端。

总结

 本节及前几节的内容中,我们讲解TCP的各种机制。那么, TCP 协议的可靠性和安全性是如何实现和保证的?我们可以得知 TCP 的可靠性和安全性的保证是由 以确认应答机制为核心,其他机制为辅

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