目录
1、TCP可靠数据传输 2、TCP流量控制 3、TCP连接管理
六、面向连接传输协议TCP
TCP（RFCs-793, 1122, 1323, 2018, 2581）的特点：点对点，一个发送方，一个接收方。可靠的、按序的字节流。流水线机制，TCP拥塞控制和流量控制机制动态设置窗口尺寸。发送方/接收方缓存。面向连接，通信双方在发送数据之前必须建立连接；连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态；TCP连接包括两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等；全双工（full-duplex），同一连接中能够传输双向数据流。
序列号：序列号指的是segment中第一个字节的编号，而不是segment的编号。建立TCP连接时，双方随机选择序列号。
ACKs：希望接收到的下一个字节的序列号。累计确认，该序列号之前的所有字节均已被正确接收到。
接收方如何处理乱序到达的Segment，TCP规范中没有规定，由TCP的实现者做出决策。
1、TCP可靠数据传输
TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务，流水线机制、累积确认、使用单一重传定时器。触发重传的事件超时或收到重复ACK。暂不考虑重复ACK、流量控制和拥塞控制。
（1）超时时间
超时时间过短，不必要的重传；过长，对段丢失时间反应慢。设置定时器的超时时间，大于RTT但RTT是变化的，如何估计RTT？SampleRTT，测量从段发出去到收到ACK的时间，忽略重传。测量多个SampleRTT，求平均值，形成RTT的估计值EstimatedRTT。指数加权移动平均，典型值0.125。
EstimatedRTT = (1-α)*EstimatedRTT +α*SampleRTT
定时器超时时间的设置，EstimatedRTT+“安全边界”，EstimatedRTT变化大则设置较大的边界（与网络状况有关）。测量RTT的变化值，SampleRTT与EstimatedRTT的差值。
DevRTT = (1-β)*DevRTT + β*|SampleRTT-EstimatedRTT| (typically,β= 0.25)
TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT
（2）TCP发送方
从应用层收到数据，创建Segment，序列号是Segment第一个字节的编号。开启计时器， 设置超时时间TimeOutInterval。
超时，重传引起超时的Segment，重启定时器。
收到ACK，如果确认此前未确认的Segment，更新SendBase。如果窗口中还有未被确认的分组，重新启动定时器。
// TCP发送端程序
NextSeqNum = InitialSeqNum
SendBase = InitialSeqNum
loop (forever) {
switch(event)
event: data received from application above
create TCP segment with sequence number NextSeqNum
if (timer currently not running)
start timer
pass segment to IP
NextSeqNum = NextSeqNum + length(data)
event: timer timeout
retransmit not-yet-acknowledged segment with
smallest sequence number
start timer
event: ACK received, with ACK field value of y
if (y > SendBase) {
SendBase = y
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
start timer
}
} /* end of loop forever */
（3）TCP接收方（RFC1122, 2581）
（4）快速重传机制
TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔将重新设置，将超时时间间隔加倍，导致其很大，重发丢失的分组之前要等待很长时间。Sender会背靠背地发送多个分组，如果某个分组丢失，可能会引发多个重复的ACK，通过重复ACK检测分组丢失。
如果Sender收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失。快速重传，即在定时器超时之前进行重传。
// 快速重传算法
event: ACK received, with ACK field value of y
if (y > SendBase) {
SendBase = y
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
start timer
} else { // a duplicate ACK for already ACKed segment
increment count of dup ACKs received for y
if (count of dup ACKs received for y = 3) {
resend segment with sequence number y // fast retransmit
}
}
2、TCP流量控制
接收方为TCP连接分配buffer，上层应用可能处理buffer中数据的速度较慢。流量控制（flow control）指发送方不会传输的太多、太快以至于淹没接收方，导致buffer溢出，是一种速度匹配机制。
假定TCP receiver丢弃乱序的segments，Buffer中的可用空间（spare room） RcvWindow= RcvBuffer-[LastByteRcvd - LastByteRead]。Receiver通过在Segment的头部字段将RcvWindow告诉Sender，Sender限制自己已经发送的但还未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸。
Receiver告知Sender RcvWindow=0，发送方仍可以发送一个很小的段，得到新的RcvWindow信息，避免RcvWindow为0时即使之后有空闲发送方也不知道。
3、TCP连接管理
TCP sender和receiver在传输数据前需要建立连接，初始化TCP变量（Seq.#、Buffer和流量控制信息）。通常连接发起者是Client，Server等待客户连接请求。
Socket clientSocket = new Socket("hostname","port number");
Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept();
TCP连接建立过程中采用“三次握手机制（Three way handshake）”。Step 1: client host sends TCP SYN segment to server, specifies initial seq #, no data（SYN标志位置为1表示要建立连接、初始序列号）. Step 2: server host receives SYN, replies with SYNACK segment. server allocates buffers, specifies server initial seq. #（分配缓存、选择初始序列号告知客户端、ACK）.Step 3: client receives SYNACK, replies with ACK segment, which may contain data（与服务器确认收到了同意建立连接的报文段）.
在握手的第二步，服务器分配资源，假如第三次握手的ACK没有发送至服务器，服务器的资源会保留一段时间再释放。网络攻击。
TCP连接的关闭Closing a connection，一般由客户机发起关闭的请求clientSocket.close();。client向server发送TCP FIN控制segment；server收到FIN，回复ACK关闭连接，发送FIN；client收到FIN，回复ACK，进入“等待”，如果重复收到FIN，会重新发送ACK；server收到ACK，连接关闭。
七、拥塞控制原理
拥塞（Congestion），非正式定义“太多发送主机发送了太多数据或者发送速度太快，以至于网络无法处理”，表现为分组丢失（路由器缓存溢出）或分组延迟过大（在路由器缓存中排队）。A top-10 problem。拥塞控制（网络）vs.流量控制（发送方和接收方）。
1、拥塞的成因和代价
场景一：两个senders，两个receivers，A->C，B->D，共享一个路由器。假定链路带宽C，路由器有无限缓存，分组不会丢失没有重传。λin发送数据的速率，λout接收数据的速率。
场景二：一个路由器，有限缓存，Sender重传分组。λ’in原始需要发送的数据加重传数据，比λin大。
情况a：假设Sender能够通过某种机制获知路由器buffer信息，有空闲才发，不会丢包。λin=λ’in=λout（goodput）。
情况b：丢失后才重发，λ’in>λout。
情况c：分组丢失和定时器超时后都重发，λ’in变得更大。
拥塞的代价：对给定的“goodput”，要做更多的工作（重传），造成资源的浪费。
场景三：四个发送方，四个接收方，A->C，C->A，B->D，D->B，四个路由器。多跳，超时/重传。
拥塞的另一个代价：多跳网络中，当分组被drop时，任何用于该分组的“上游”传输能力全都被浪费掉。
2、拥塞控制的方法
端到端拥塞控制：网络层不需要显式的提供支持，端系统通过观察loss、delay等网络行为判断是否发生拥塞。TCP采取这种方法。
网络辅助的拥塞控制：路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息，简单的拥塞指示（1bit）SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM，指示发送方应该采取何种速率。
案例ATM ABR拥塞控制：提供ABR（available bit rate）“弹性服务”，如果发送方路径负载低（underloaded），使用可用带宽，如果发送方路径拥塞，将发送速率降到最低保障速率。发送方发送若干Data cells发一个RM（resource management）cells，网络设备交换机设置RM cell位（网络辅助），NI bit rate不许增长，CI bit拥塞指示，RM cells由接收方返回给发送方。
在RM cell中有显式的速率（ER）字段，两个字节，拥塞的交换机可以将ER置为更低的值（定量），发送方获知路径所能支持的最小速率。
数据cell中的EFCI位，拥塞的交换机将其设为1，如果RM cell前面的data cell的EFCI位被设为1，那么发送方在返回的RM cell中置CI位。
八、TCP拥塞控制
1、TCP拥塞控制
Sender限制发送速率LastByteSent-LastByteAcked <= CongWin（拥塞窗口）。CongWin根据所感知到的网络拥塞，动态调整以改变发送速率，限定已发送但未确认的数据的量。
rate ≈ CongWin/RTT（Bytes/sec）
感知网络拥塞：Loss事件（timeout或3个重复ACK），发生Loss事件后，发送方降低速率。
（1）合理地调整发送速率：
加性增-乘性减（AIMD），拥塞避免。逐渐增加发送速率，谨慎探测可用带宽，直到发生Loss。Additive Increase，每个RTT将CongWin增大一个MSS（最大段长度），拥塞避免；Multiplicative Decrease，发生Loss后将CongWin减半。
慢启动（SS）。TCP连接建立时，CongWin=1，例MSS=500byte，RTT=200msec，初始速率=20k bps，可用带宽可能远远高于初始，希望速率快速增长。当连接开始时，指数型增长，每个RTT收到每个ACK将CongWin翻倍。
// Slowstart algorithm
initialize:Congwin=1
for (each segment ACKed)
Congwin++
until (loss event OR CongWin>threshold)
Threshold变量。当CongWin达到Loss事件前值的1/2时，将指数型增长切换为线性增长（拥塞避免）。Loss事件发生时，变量Threshold被设为Loss事件前CongWin值的1/2。
3个重复ACKs，CongWin切到一半，然后线性增长。Timeout事件，CongWin直接设为1个MSS，然后指数增长，达到threshold后再线性增长。3个重复ACKs表示网络还能够传输一些 segments，timeout事件表明拥塞更为严重。
（2）总结
When CongWin is below Threshold, sender in slow-start phase, window grows exponentially. When CongWin is above Threshold, sender is in congestion-avoidance phase, window grows linearly.
When a triple duplicate ACK occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin set to Threshold. When timeout occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin is set to 1 MSS.
（3）TCP拥塞控制算法
Th = ? // 设置一个合适的值
CongWin = 1 MSS
/* slow start or exponential increase */
While (No Packet Loss and CongWin < Th) {
send CongWin TCP segments
for each ACK increase CongWin by 1
}
/* congestion avoidance or linear increase */
While (No Packet Loss) {
send CongWin TCP segments
for CongWin ACKs, increase CongWin by 1
}
Th = CongWin/2
If (3 Dup ACKs) CongWin = Th;
If (timeout) CongWin=1;
（4）例题
一个TCP连接总是以1 KB的最大段长发送TCP段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为16 KB时发生了超时，如果接下来的4个RTT（往返时间）时间内的TCP段的传输都是成功的，那么当第4个RTT时间内发送的所有TCP段都得到肯定应答时，拥塞窗口大小是多少？
解：threshold=16/2=8 KB，CongWin=1 KB，1个RTT后，CongWin=2 KB，2个RTT后， CongWin=4 KB，3个RTT后，CongWin=8 KB，Slowstart is over；4个RTT后，CongWin=9 KB。
2、TCP性能分析
（1）TCP throughput（吞吐率）
给定拥塞窗口大小和RTT，忽略Slow start，TCP的平均吞吐率是多少？假定发生超时时CongWin的大小为W，吞吐率是W/RTT；超时后，CongWin=W/2，吞吐率是W/2RTT。
平均吞吐率为0.75W/RTT。
（2）未来的TCP
假设每个Segment有1500个byte，RTT是100ms，希望获得10Gbps的吞吐率。throughput = W*MSS*8/RTT, 则W=throughput*RTT/(MSS*8)=83,333。窗口大小为83,333。
吞吐率与丢包率（loss rate, L）的关系：CongWin从W/2增加至W时出现第一个丢包，那么一共发送的分组数为W/2+(W/2+1)+(W/2+2)+….+W=3W2/8+3W/4。W很大时，3W2/8>>3W/4，因此L≈8/(3W2)=2·10-10。
高速网络下需要设计新的TCP。
（3）TCP的公平性
公平性指如果K个TCP Session共享相同的瓶颈带宽R，那么每个Session的平均速率为R/K。TCP具有公平性。
公平性与UDP：多媒体应用通常不使用TCP，以免被拥塞控制机制限制速率。使用UDP以恒定速率发送，能够容忍丢失，产生了不公平。研究TCP friendly。
公平性与并发TCP连接：某些应用（如Web浏览器）会打开多个并发连接，产生公平性问题。如链路速率为R，已有9个连接，新来的应用请求1个TCP，获得R/10的速率，新来的应用请求11个TCP，获得R/2的速率。