TCP 傳輸、重傳及工作原理

作者：小技術(shù)君 2023-10-17 10:11:50

網(wǎng)絡(luò)

TCP具有快速重傳功能 - 在計(jì)時(shí)器到期之前重新傳輸丟失的段，為了允許快速重傳，我們需要為發(fā)送方和接收方設(shè)置一些規(guī)則。

IP和MAC層的內(nèi)存受限，用于發(fā)送數(shù)據(jù)包。因此，它們都會(huì)限制消息的長(zhǎng)度。

這一限制要求TCP在提供給IP層之前，將可變長(zhǎng)度的字節(jié)打包成多個(gè)段。每個(gè)段的長(zhǎng)度應(yīng)該是合適的。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的圖示，展示了段是如何通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的。

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客戶端的HTTP層正在向目標(biāo)服務(wù)器發(fā)送一個(gè)18字節(jié)的流。

當(dāng)字節(jié)16-18尚未到達(dá)TCP層時(shí)，字節(jié)12-15通過(guò)了它。TCP將它們打包成一個(gè)段，并附加了一個(gè)TCP頭，標(biāo)記在黃色區(qū)域。

接下來(lái)，該段被IP層封裝，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，然后到達(dá)服務(wù)器。

假設(shè)TCP段的長(zhǎng)度超過(guò)了底層支持的長(zhǎng)度。在這種情況下，IP層將負(fù)責(zé)將大段拆分成多個(gè)片段。這是一個(gè)昂貴的過(guò)程，因此我們希望避免這種情況。

但是TCP如何確定長(zhǎng)度呢？這取決于最大段大小（MSS）。

理想情況下，我們希望選擇一個(gè)最大化數(shù)據(jù)量、最小化頭部比例并避免在IP層進(jìn)一步拆分的MSS。

默認(rèn)情況下，MSS為536字節(jié)。這個(gè)數(shù)字是從哪里來(lái)的呢？

IP的默認(rèn)最大傳輸單元（MTU）為576字節(jié)。超過(guò)此大小的任何內(nèi)容都將被拆分。
IP頭占用20字節(jié)。
TCP頭占用20字節(jié)。

因此，536 = 576 - 20 - 20。

你可以看出MSS僅表示數(shù)據(jù)體的大小，不包括頭部。

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MSS是在TCP三次握手期間進(jìn)行協(xié)商的。以下是TCP段頭的格式。MSS位于TCP選項(xiàng)中。

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在SYN消息中，客戶端建議MSS為1460字節(jié)。這被稱為發(fā)送方最大段大小（SMSS）。

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在服務(wù)器的響應(yīng)中，它建議段的大小不超過(guò)1400字節(jié)。由于大小來(lái)自服務(wù)器，因此被稱為接收方最大段大小（RMSS）。

TCP 重傳

為了確保傳輸?shù)目煽啃裕琓CP需要完成兩個(gè)功能：

當(dāng)接收到消息時(shí)，接收方向發(fā)送方發(fā)送確認(rèn)（ACK）。
當(dāng)消息丟失時(shí)，發(fā)送方重新傳輸消息。

讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的模型開始。

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1.首先，發(fā)送方在發(fā)送消息后維護(hù)一個(gè)計(jì)時(shí)器。2.在時(shí)間過(guò)期之前收到第一個(gè)ACK。然后，計(jì)時(shí)器被重置以等待第二條消息，然后重復(fù)此過(guò)程。3.第二個(gè)計(jì)時(shí)器過(guò)期，沒有收到ACK。重傳開始。

這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是直接的，但效率較低，因?yàn)槊總€(gè)消息都需要等待前一個(gè)ACK返回。

讓我們改進(jìn)一下。

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通過(guò)為每條消息分配一個(gè)ID，我們可以迅速發(fā)送多條消息。相同的ID與相應(yīng)的計(jì)時(shí)器和ACK消息相鏈接。

如果一條消息丟失，例如#3，發(fā)送方將重新傳輸它。

在TCP中，“消息ID”是什么？它是序列號(hào)。

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這里是一個(gè)消息的示例：

此TCP段的長(zhǎng)度為647字節(jié)。
在此消息之前，發(fā)送方已經(jīng)發(fā)送了1461字節(jié)。
發(fā)送方將從2108開始發(fā)送更多字節(jié)。

序列號(hào)最多可以達(dá)到232。然后它會(huì)重新開始。

這帶來(lái)了一個(gè)問題。

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想象一下，我們只有4個(gè)序列號(hào)，每次發(fā)送1字節(jié)。

在過(guò)程中，第2個(gè)字節(jié)（標(biāo)記為#2）丟失。根據(jù)設(shè)計(jì)，#2將在以后的時(shí)間重新傳輸。
我們繼續(xù)發(fā)送更多字節(jié)，直到序列號(hào)從#1開始。此時(shí)，重新傳輸?shù)?2被發(fā)送。
接收方不知道這是舊的#2還是新的#2。這可能會(huì)搞亂事情。

為了解決這個(gè)問題，TCP選項(xiàng)中引入了時(shí)間戳。

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時(shí)間戳可以消除具有相同序列號(hào)的段之間的歧義。

讓我們將時(shí)間戳附加到每個(gè)段上。

接收方讀取時(shí)間戳B并將其與先前的時(shí)間戳E進(jìn)行比較，以確認(rèn)這是一次重傳。否則，時(shí)間戳應(yīng)該大于E。

TCP快速重傳

TCP具有快速重傳功能 - 在計(jì)時(shí)器到期之前重新傳輸丟失的段。

為了允許快速重傳，我們需要為發(fā)送方和接收方設(shè)置一些規(guī)則。

規(guī)則1：作為接收方，它應(yīng)始終發(fā)送它期望接收的序列號(hào)。例如，當(dāng)接收方接收到段1時(shí)，它將響應(yīng)ACK2，表示它期望在即將到來(lái)的消息中接收段2。
規(guī)則2：作為發(fā)送方，它應(yīng)忽略計(jì)時(shí)器并在接收到3個(gè)重復(fù)的亂序ACK后立即開始重新傳輸丟失的段。

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上圖顯示了快速重傳的示例：

在第一個(gè)2個(gè)段的傳輸之后，段3丟失。
在接收到段4時(shí)，接收方根據(jù)規(guī)則發(fā)送ACK3，而不是ACK4。這是第一個(gè)重復(fù)的亂序ACK。
再次，在接收到段5時(shí)，服務(wù)器仍然期望重新傳輸段3。因此，第二個(gè)重復(fù)的ACK3被發(fā)送。
然后，第三個(gè)重復(fù)的ACK3被發(fā)送。
在這一刻，發(fā)送方進(jìn)入快速重傳并重新傳輸段3。6.在接收到丟失的段后，接收方的ACK按順序返回，并期望在即將到來(lái)的消息中接收段7。
但是存在一個(gè)問題 - 發(fā)送方不知道段5和段6是否安全到達(dá)，直到快速重傳完成。如果兩個(gè)段都丟失，那么后續(xù)的重傳將需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

接收方可以通過(guò)選擇性確認(rèn)（SACK）功能與發(fā)送方共享信息，以便促進(jìn)重傳過(guò)程。