TCP的慢启动、拥塞避免、重传、快恢复乱七八糟总是记不清?11个连环问让你一次性打通任督二脉

摘要:如果你的开发过程涉及数据传输,一直在重传、超时之类的方案里有困惑的话,不妨重新学一学可靠性最精致的TCP协议。 本文分享自华为云社区​​《TCP的慢启动、拥塞避免、重传、快恢复乱七八糟总是记不清?11个连环问让你一次性打通任督二脉》​​,作者: breakDraw。 TCP的拥塞避免等机制对于初学者来说还是比较复杂的,工作中如果开发时偏应用层,那么大部分时候就会摸不到这个机制,感受也就没那么深了。但如果你的开发过程涉及数据传输,一直在重传、超时之类的方案里有困惑的话,不妨重新学一学可靠性最精致的TCP协议。 所以这里我抛去死记硬背的那堆概念,用10个连续的问题来学习这个机制,注意看的时候先自己思考一下如果是自己,会怎么设计,再去看实际的TCP设计,来理解它的精妙之处。 Q: 建立连接后,每次发送的报文数量是固定的吗?即每次都发1条或者10条? A:不是。建立连接后,会先只发1条, 然后发2条,接着再发4条,逐步增加。这个过程叫 “慢启动”。这个1、2、4递增的数量被称之为 拥塞窗口 cwnd,可以理解为TCP希望刚开始,可以大胆点,不断加数量。但为了保险期间还是从1条还是倍增。 Q: 慢启动过程中,那么发送数量(拥塞窗口)什么时候不再倍增?是无限倍增吗? A:不会无限倍增。当到达慢启动门限ssthreshold时,会变成每次都增加1条。这个过程叫拥塞避免过程, 也有叫他拥塞避免算法的,可以理解为tcp感觉到有风险了,于是开始慢慢地、小心翼翼地1条1条地添加发送条数。 Q:那么,当进入拥塞避免,每次+1时,什么时候才会不再继续加? A:随着每次发送的数量越发越多, 最终会超出带宽限制,于是就会有某条报文发生超时。有可能是发的中途丢了, 亦或者是返回的数据全阻塞住了,一条都回不来。当发送端检测到发生超时时,就会让 慢启动门限ssthreshold = 当前拥塞窗口cwnd/2,接着cwnd 重新置为1,从新开始 慢启动算法。这样的好处在于可以检测到每次发送的上限,动态调整发送窗口。上面的过程叫做 超时重传。注意发生超时重传时, cwnd会重置成1。 Q: 上面提到了超时, 那么TCP客户端是怎么判断报文发送超时的呢? A:每次发送数据包的时候, 都会有一个相应的计时器,一旦超过 RTO(超时时间) 而没有收到 ACK, TCP就会重发该数据包。没收到 ACK 的数据包都会存在重传缓冲区里,等到 ACK 后,就从缓冲区里删除。 Q:上面提到的超时时间RTO是怎么来的?万一设得太大可能导致很迟才能反应过来, 设得太小则可能导致每条都超时 A:通过“每次报文的往返时间样本”和“之前样本的偏差值”动态计算出来的。 RTT : 报文往返时间(指从发送到收到ack的时间)。每个报文发出后都有个定时器,收到后都会计算出一个RTT样本 RTTs: 加权平均往返时间,类似于一个估算的往返时间,实时在变。RTTs = (1-a) * RTTs + a * RTT最新样本,即每次得到RTT样本后, 都会使用a这个占比去更新RTTs。 RTTd: RTT偏差加权平均值(就是用来计算超时时间应该比RTT多多少)RTTd = (1 - b) * RTTd + b*RTTs - RTT最新样本,即每次会用新的RTTs以b的占比去更新一下RTTd,并减去RTT样本 RTO : 超时重传时间等于平均往返时间 加上 4倍偏差值,RTO = RTTs + 4*RTTd Q: 如果发生重传,却还是没有收到ack,那么最新的RTT样本应该怎么算?即你都收不到最新的ack了, RTT难道取超时时间吗? A:会使用karn算法: 发生重传时,不更新这次的RTT样。选用后面收到的ack,修正karn: 为了避免发生重传后,实际RTT都变慢了,导致一下子所有请求都超时, 会在发生重传时,把RTO假大1倍。 Q: 上面提到的ACK超时判断会不会太久了? 假如只是发的时候丢了中间部分报文而已, 但大部分报文ACK还能正常返回,也要一直等超时吗? A:如果能正常接收其他报文的ACK, 只是中间的部分报文丢了, 则有另一个办法。 接收端有一个冗余确认机制: 发送端A 发送 1、2、3、4、5四条 但是B接收端只收到1、2、4、5,而3因为网络拥塞丢了。 于是B会发送ack=3而不是ack=5 给A。 这就是冗余确认机制,只发送缺失那部分的ack,后面的4和5都不管。 A收到ack=3后, 继续发送3、4、5、6、7, 结果3还是丢了。 于是B又发送ack=3。 当A发现连续3次收到了ack=3时,就会觉察到不对劲,我都发3次了你还是说没收到,可你又能正常返回其他ACK给我,是不是我发的太多了?上面这个判断3次的重传算法叫“快重传”。于是A会马上进入 “快速恢复”。和之前类似,慢启动门限ssthreshold = 当前拥塞窗口cwnd/2。但是!! 新的拥塞窗口cwnd会设置成ssthreshold/2, 而不是1。而且不会走慢启动倍增的那种,而是走拥塞避免, 逐步+1的那种。 Q: 前面“超时重传”的时候,是变成从1开始慢启动, 为什么这个“快重传”却是从ssthreshold/2开始,并且走拥塞避免? 为什么会有这个区别? A:因为前面发生超时重传时, 是比较严重的情况, 超时时间内一个ACK都没收到。就好像来回数据都凭空消失了。而快速重传发生时, 还是能收到部分ack的, 只是丢失了部分数据, 说明拥塞没那么严重,于是可以大胆一点将cwnd削减到1/4, 而不是直接从1开始。 其他 到了这里,基本就能理清楚超时重传和快重传的区别了,重点是理解这2个区别是怎么来的。后面再补几个问题,避免你和其他概念搞混,但不会说得太深,具体需要你自己去扩展学习了。 Q: 为啥发送地多了,数据就会部分丢失?这个是怎么个原理? A:路由器有缓存,IP分组接收过多时就会耗尽空间,丢弃数据。详细可以看路由器的数据转发原理。 Q: TCP除了上面的重传定时器, 好象还有个坚持定时器?区别是啥? A:坚持定时器和超时、网络拥塞没有关系, 和通告窗口即对端的接收能力有关。简单来说, 就是对方的传输层缓冲区(接收端窗口)满了,告诉你别发了,我吃不下了,于是返回通告窗口为0。但你想知道啥时候可以发,于是就启动一个坚持定时器,每隔5s发送1个字节的小报文,小小地试探下。当通告窗口不为0了,就重新开始发。 ​​点击关注,第一时间了解华为云新鲜技术~​​

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