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TCP协议疑难杂症全景解析

发布时间:2018-11-01 15:48:42 所属栏目:教程 来源:cpp软件架构狮
导读:说明: 1).本文以TCP的发展历程解析容易引起混淆,误会的方方面面 2).本文不会贴大量的源码,大多数是以文字形式描述,我相信文字看起来是要比代码更轻松的 3).针对对象:对TCP已经有了全面了解的人。因为本文不会解析TCP头里面的每一个字段或者3次握手的

有个细节可能会引起误会,那就是TCP的窗口大小空间是序列号空间的一半,这样恰好在满载情况下,数据能填满发送窗口和接收窗口,序列号空间正好够用。然而事实上,TCP的初始序列号并不是从0开始的,而是随机产生的(当然要辅助一些更精妙的算法),因此如果初始序列号比较接近2的32次方,那么很快就会回绕。

当然,如今可以用时间戳选项来辅助作为序列号的一个识别的部分,接收端遇到回绕的情况,需要比较时间戳,我们知道,时间戳是单调递增的,虽然也会回绕,然而回绕时间却要长很多。这只是一种策略,在此不详谈。还有一个很现实的问题,理论上序列号会回绕,但是实际上,有多少TCP的端点主机直接架设在1G的网络线缆两端并且接收方和发送方的窗口还能恰好被同时填满。另外,就算发生了回绕,也不是一件特别的事情,回绕在计算机里面太常见了,只需要能识别出来即可解决,对于TCP的序列号而言,在高速网络(点对点网络或者以太网)的两端,数据发生乱序的可能性很小,因此当收到一个序列号突然变为0或者终止序列号小于起始序列号的情况后,很容易辨别出来,只需要和前一个确认的分段比较即可,如果在一个经过路由器的网络两端,会引发IP数据报的顺序重排,对于TCP而言,虽然还会发生回绕,也会慢得多,且考虑到拥塞窗口(目前还没有引入)一般不会太大,窗口也很难被填满到65536。

3.2.4.端到端的流量控制

端到端的流量控制使用滑动窗口来实现。滑动窗口的原理非常简单,基本就是一个生产者/消费者模型

疑难杂症10:流量控制的真实意义

很多人以为流量控制会很有效的协调两端的流量匹配,确实是这样,但是如果你考虑到网络的利用率问题,TCP的流量控制机制就不那么完美了,造成这种局面的原因在于,滑动窗口只是限制了最大发送的数据,却没有限制最小发送的数据,结果导致一些很小的数据被封装成TCP分段,报文协议头所占的比例过于大,造成网络利用率下降,这就引出了接下来的内容,那就是端到端意义的TCP协议效率。

承上启下

终于到了阐述问题的时候了,以上的TCP协议实现的非常简单,这也是TCP的标准实现,然而很快我们就会发现各种各样的问题。这些问题导致了标准化协会对TCP协议进行了大量的修补,这些修补杂糅在一起让人们有些云里雾里,不知所措。本文档就旨在分离这些杂乱的情况,实际上,根据RFC,这些杂乱的情况都是可以找到其单独的发展轨迹的。

4.端到端意义上的TCP协议效率

4.1.三个问题以及解决

问题1描述:接收端处理慢,导致接收窗口被填满

这明显是速率不匹配引发的问题,然而即使速率不匹配,只要滑动窗口能协调好它们的速率就好,要快都快,要慢都慢,事实上滑动窗口在这一点上做的很好。但是如果我们不得不从效率上来考虑问题的话,事实就不那么乐观了。考虑此时接收窗口已然被填满,慢速的应用程序慢腾腾的读取了一个字节,空出一个位置,然后通告给TCP的发送端,发送端得知空出一个位置,马上发出一个字节,又将接收端填满,然后接收应用程序又一次慢腾腾...这就是糊涂窗口综合症,一个大多数人都很熟悉的词。这个问题极大的浪费了网络带宽,降低了网络利用率。好比从大同拉100吨煤到北京需要一辆车,拉1Kg煤到北京也需要一辆车(超级夸张的一个例子,请不要相信),但是一辆车开到北京的开销是一定的...

问题1解决:窗口通告

对于问题1,很显然问题出在接收端,我们没有办法限制发送端不发送小分段,但是却可以限制接收端通告小窗口,这是合理的,这并不影响应用程序,此时经典的延迟/吞吐量反比律将不再适用,因为接收窗口是满的,其空出一半空间表示还有一半空间有数据没有被应用读取,和其空出一个字节的空间的效果是一样的,因此可以限制接收端当窗口为0时,直接通告给发送端以阻止其继续发送数据,只有当其接收窗口再次达到MSS的一半大小的时候才通告一个不为0的窗口,此前对于所有的发送端的窗口probe分段(用于探测接收端窗口大小的probe分段,由TCP标准规定),全部通告窗口为0,这样发送端在收到窗口不为0的通告,那么肯定是一个比较大的窗口,因此发送端可以一次性发出一个很大的TCP分段,包含大量数据,也即拉了好几十吨的煤到北京,而不是只拉了几公斤。

即,限制窗口通告时机,解决糊涂窗口综合症

问题2描述:发送端持续发送小包,导致窗口闲置

这明显是发送端引起的问题,此时接收端的窗口开得很大,然而发送端却不积累数据,还是一味的发送小块数据分段。只要发送了任和的分段,接收端都要无条件接收并且确认,这完全符合TCP规范,因此必然要限制发送端不发送这样的小分段。

问题2解决:Nagle算法

Nagel算法很简单,标准的Nagle算法为:

IF 数据的大小和窗口的大小都超过了MSS

Then 发送数据分段

ELSE

IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来

Then 积累数据到发送队列的末尾的TCP分段

ELSE

发送数据分段

EndIF

EndIF

可是后来,这个算法变了,变得更加灵活了,其中的:

IF 还有发出的TCP分段的确认没有到来

变成了

IF 还有发出的不足MSS大小的TCP分段的确认没有到来

(编辑:好传媒网)

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