Computer Network] - transport layer protocol transport -TCP -Internet

TCP Introduction

It provides a reliable Internet on unreliable byte stream end
connection-oriented, reliable, end-to-byte stream-based transport protocol

TCP position

TCP Service Model

TCP applications to access services

By creating a socket in both the transceiver to achieve

Socket address

With (IP address, port number) to represent the

Well-known port

Port number below 1024, such as the FTP: 21 is, the TELNET: 23 is, the SMTP: 23 is

Each connection (socket 1, the socket 2), he said channel is full duplex point to point

TCP is not supported

Multicast (multicast) and radio (broadcast)

TCP connection is byte-stream, rather than a message flow

(A) four of the 512 bytes sent in a separate data block IP datagrams

(B) is passed to the application in a single READ call 2048 bytes of data

Emergency Data

For data sent to the application, TCP can be transmitted immediately, the cache for some time so as to send more data
transmission in order to force the data may be used PUSH flag
for urgent data (urgent data), can be labeled using URGENT

serial number

Each byte of the TCP connection has its own unique 32-bit serial number

TCP protocol

Data exchange form

TCP transmitting end and receiving entities exchange data in the form of segments of a data segment
header TCP data segment contains a 20-byte (part plus option) followed by zero or more data bytes

The segment size requirements

Each data segment includes a TCP header, including, for suitable IP payload size of 65,515 bytes
each network has a maximum transmission unit (the MTU), each segment must fit MTU. In practice, MTU is usually 1500 bytes (Ethernet payload size)

Sliding window

TCP sliding window protocol entity, the acknowledgment number equal to the recipient wishes to receive next sequence number

Retransmission timeout

TCP data segment header

Source and destination ports

Looking for the transmitting end and receiving end application processes
each accounted for 16

serial number

序列号表示该TCP数据段中的第一个TCP数据字节在从TCP发送端向TCP接收端发送的数据字节流中的位置。TCP用序列号对每个字节进行计数
只有SYN标志置1时序列号字段才有效
占32位，以字节为单位编号

确认号

确认号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。只有ACK标志置1时确认号字段才有效
占32位，以字节为单位编号

TCP头长度

给出TCP头部中32位字的数目，即长度单位为32位字，包含可选项域
占4位
6位的保留域

6位的标志位：置1表示有效

URG：紧急指针有效，和紧急指针配合使用，发送紧急数据
ACK：确认号是否有效
PSH：指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层，不做缓存
RST：重置一个已混乱的连接
SYN：用来发起一个连接
FIN：发端完成发送任务后， FIN用于释放连接

窗口大小

用于基于可变滑动窗口的流控，指示发送方从确认号开始可以再发送窗口大小的字节流，窗口大小为字节数
占16位
校验和
为增加可靠性，对TCP头，TCP数据计算校验和
占16位

紧急指针

用来指示紧急数据在当前数据段中的位置，是一个相对于当前序列号的字节偏移值。当URG标志置1时紧急指针才有效
占16位
可选项域

TCP连接建立

建立过程（注：LISTEN，ACCEPT，CONNECT等就是伯克利套接字原语）
服务器方执行LISTEN和ACCEPT原语，被动监听
客户方执行CONNECT原语，产生一个SYN为1和ACK为0的TCP段，表示连接请求
服务器方的传输实体接收到这个TCP段后，首先检查是否有服务进程在所请求的端口上监听，若没有，回答RST置位的TCP段
若有服务进程在所请求的端口上监听，该服务进程可以决定是否接受该请求。在接受后，发出一个SYN置1和ACK置1的TCP段表示连接确认，并请求与对方的连接
发起方收到确认后，发出一个SYN置0和ACK置1的TCP段表示给对方的连接确认
若两个主机同时试图建立彼此间的连接，则只能建立一条连接

TCP连接释放

在数据传输结束后，通信的双方都可以发出释放连接的请求
释放过程对每个单工连接单独释放
TCP连接释放，释放连接时，发出FIN位置1的TCP段并启动定时器，在收到确认后关闭连接。若无确认并且超时，也关闭连接

TCP连接的管理模型

粗实线：客户的正常路径
粗虚线：服务器的正常路径
细线：不正常的事件
事件/动作：
事件或者是用户发起的系统调用(CONNECT、LISTEN、SEND或CLOSE)，或者是一个数据段的到达(SYN、FIN、ACK或RST），或者是两倍最大分组生存期的超时事件。
动作是发送一个控制数据段(SYN、FIN或RST)

TCP传输策略

TCP的窗口管理机制
基于确认和可变窗口大小
窗口大小为0时，正常情况下，发送方不能再发TCP段，但有两个例外，紧急数据可以发送，为防止死锁，发送方可以发送1字节的TCP段，以便让接收方重新声明确认号和窗口大小

策略1：发送方缓存应用程序的数据，等到形成一个比较大的段再发出

策略2：在没有可能进行“捎带”的情况下，接收方延迟（如：延迟500ms）发送确认段和窗口更新

策略3： Nagle算法
若数据是逐个字节地到达发送端，那么发送端就将第一个字符先发送出去，将后面到达的字符都缓存起来
当收到第一个字符的确认后，再将缓冲区中的所有字符（装成）用一个TCP数据段发送出去，同时继续对到达的字符进行缓存
只有在收到确认后才继续发送下一个数据段
如果传递进来的数据足够多，多到可以填充一半窗口或填满一个最大数据段长度时，该算法允许发送一个新的数据段

策略4：使用Clark算法解决傻窗口症状
傻窗口症状

设想这种情况，接收端的缓冲区已满，而接收方的应用程序每次只从缓冲区中读取一个字节时，传输层实体会产生一个一字节的窗口更新段，使得发送方只能发送一个字节
解决办法
限制接收方只有在具备一半的空缓存或最大段长的空缓存时，才产生一个窗口更新段
Nagle算法和Clark针对傻窗口症状的解决方案时相互补充的
发送方不要发送太小的数据段（Nagle）
接收方不要请求太小的数据段（Clark）

TCP的拥塞控制

TCP认为导致网络拥塞的两个潜在因素
接收方接收能力
网络传输能力

TCP处理因接收方接收能力和网络传输能力而采取的措施
发送方维护两个窗口：接收方准许的窗口和拥塞窗口
允许发送的字节数量是这两个窗口的最小值

在TCP中使用窗口的概念

接收方准许的窗口（通知窗口）
接收方根据其能力许诺的窗口值
是来自接收端的流量控制
接收端将此窗口值放在TCP报文的头部中，传送给发送端

慢启动（slow start）算法

连接建立时，发送方将拥塞窗口初始化为该连接允许的最大数据段长(如1KB)
发出一个最大段长的TCP段，若正确确认，拥塞窗口变为两个最大数据段长
发送出2个最大长度的TCP段，若都得到确认，则拥塞窗口再加倍
重复上一步，拥塞窗口一直呈指数增加，直至发生丢包超时事件或拥塞窗口达到接收方窗口大小

因特网的拥塞控制算法

最大的数据段长度为1KB；
初始时阈值为64KB；
图是发生一次超时后，阈值被设置为32KB，拥塞窗口被设置为1KB（对应0号传输）

阈值初始时为64KB，当第一次超时发生时，阈值被设置为当前拥塞窗口的一半；而拥塞窗口初始化为该连接允许的最大数据段长
使用慢启动算法来决定网络的处理能力，当增长到阈值时停止
从这点开始，每次成功的传输都会使拥塞窗口线性增长

有效窗口是发送方和接收方分别认为合适窗口中最小的那个

在未发生拥塞的稳定工作状态下，两个窗口（接收方准许的窗口和拥塞窗口）是一致的