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六.滑动窗口
#xff08;1#xff09;发送缓冲区结构
#xff08;2#xff09;滑动窗口介绍
#xff08;3#xff09;滑动窗口不一定只会向右移动。滑动窗口可以变大也可以变小。
#xff08;4#xff09;那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况…
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六.滑动窗口
1发送缓冲区结构
2滑动窗口介绍
3滑动窗口不一定只会向右移动。滑动窗口可以变大也可以变小。
4那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况讨论.
①情况一: 数据包已经抵达, ACK被丢了.
②情况二: 数据包就直接丢了.快重传
如何理解发送缓冲区发送完毕数据?
七.流量控制
八.拥塞控制
1.网络拥塞传输的网络数据太多大量丟包——网络出现问题
2.怎么办?——慢启动 机制
拥塞控制算法
为何选择指数级增长
九.延迟应答
十.捎带应答——tcp应答真相
TCP小结
十一.面向字节流
1.面向字节流
2.粘包问题
5.TCP/UDP对比 六.滑动窗口紧接上序
刚才我们讨论了确认应答策略, 对每一个发送的数据段, 都要给一个ACK确认应答. 收到ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点, 就是性能较差. 尤其是数据往返的时间较长的时候 既然这样一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了). 收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉; 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高; 1发送缓冲区结构
发送出去的数据在没有得到答案”发送成功 / 发送失败的情况下必须被保留在发送缓冲区中以便于支持超时重传。 2滑动窗口介绍
滑动窗口本质上是 发送缓冲区中一个部分的起始指针和结束指针滑动窗口向右滑动本质就是指针的右移这里虽然是int类型只要它指向一个位置网络里就叫他指针
目的是让数据批量化发送一发一收的方式性能较低, 我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了). tcp的发送缓冲区其实是被设计成为环状结构的所以不必担心滑动窗口越界
例如这里客户端发送了4个报文当客户端收到 2001 32位确认序号 的应答表示1001~2001已传输成功则start_index 会向右走 3滑动窗口不一定只会向右移动。滑动窗口可以变大也可以变小。
滑动窗口的大小由谁决定?——目前:是由对方的接受的能力决定!.我收到的TCP数据报头中的窗口大小!
滑动窗口正常情况是向右移动说明对方接受能力稳定我在发对方也在取。如果对方不接收或16位窗口大小变小了说明对方接受能力变小滑动窗口会变小即start_index 会向右走end_index不动如果对方返回的16位窗口大小变大了说明对方接受能力变大滑动窗口会变大即start_index不动 end_index向右走。
4那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况讨论.
①情况一: 数据包已经抵达, ACK被丢了.
这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的较大的ACK进行确认只要大的到了例如只要返回的ACK6001得到了说明6001之前的数据都收到了只不过丢失了部分应答而已;如果较大的ACK丢失那就只能超时重传了 ②情况二: 数据包就直接丢了.快重传 活动窗口不会跳过没有确认成功的数据继续滑动
当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK, 就像是在提醒发送端 我想要的是 1001 一样;
如果发送端主机连续三次收到了同样一个 1001 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;
这种机制被称为 高速重发控制(也叫 快重传).
如何理解发送缓冲区发送完毕数据?
start_index向右移动而已数据就从 “已经发送 但是还没有得到响应结果的区域” 放到了“已经发送收到确认应答” 区域不用做什么处理。
七.流量控制
接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应.因此TCP支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控制(Flow Control);接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 窗口大小 字段, 通过ACK端通知发送端;窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;接收端一旦发现自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;发送端接受到这个窗口之后, 就会减慢自己的发送速度;如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0; 这时发送方不再发送数据, 但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端 接收端如何把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息;
那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?
实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M 位;
八.拥塞控制
1.网络拥塞传输的网络数据太多大量丟包——网络出现问题
2.怎么办?——慢启动 机制
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题。因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据,是很有可能引起雪上加霜的。
不能重传——因为网络连接大量的发送方网络出现问题则大部分发送方都丢包如果这些发送方再都超时重传则会让本就不堪重负的网络雪上加霜让网络进一步瘫痪。
TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据; 此处引入一个概念程为拥塞窗口定义在拥塞窗口发送数据量以内不会拥塞超过可能会引发拥塞问题。 发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1; 每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口加1; 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口; 一次向目标主机发送数据的量 min(对方的接受能力,网络承受能力) 即 滑动窗口的大小 min(对方的窗口大小拥塞窗口)
像上面这样的拥塞窗口增长速度, 是指数级别的. 慢启动 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快.
拥塞控制算法 为了不增长的那么快, 因此不能使拥塞窗口单纯的加倍. 此处引入一个叫做慢启动的阈值 当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性方式增长 当TCP开始启动的时候, 慢启动阈值等于窗口最大值; 在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来造成拥塞的窗口大小的一半, 同时拥塞窗口置回1;
少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞;
当TCP通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降;
拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案.
TCP拥塞控制这样的过程, 就好像 热恋的感觉
为何选择指数级增长
指数增长前期慢意味着前期都可以发送少量的数据但增长速度快 指数增长前期慢探路后我们要尽快恢复网络通信的正常速度网络出现拥塞最想做什么?尽快恢复 增长到一定程度让拥塞窗口再大也没意义了就让他正常的线性增长
九.延迟应答
发送方发送数据的发送能力——取决于活动窗口大小——取决于对方剩余空间的大小——取决于r上层能不能尽快取走数据
延迟应答如果接收数据的主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小接收方就选择“等一等”的方式在这一段时间内上层可能会取走数据则下一次发送方可以传大块数据了这就叫延迟应答策略
例子假设接收端缓冲区为1M. 一次收到了500K的数据; 如果立刻应答, 返回的窗口就是500K; 但实际上可能处理端处理的速度很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了; 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来; 如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M;
一定要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输
效率;
那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是; 数量限制: 每隔N个包就应答一次; 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
具体的数量和超时时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时时间取200ms; 十.捎带应答——tcp应答真相
在延迟应答的基础上, 我们发现, 很多情况下, 客户端服务器在应用层也是 一发一收 的. 意味着客户端给服务器说
了 How are you, 服务器也会给客户端回一个 Fine, thank you;
那么这个时候ACK就可以搭顺风车ACK和服务器回应的 Fine, thank you 一起回给客户端
即四次挥手有概率会被压缩成三次回收第二次ACK和FIN同时返回给客户端。解释当客户端向服务器发起断开连接请求FIN时服务器需要返回ACK确认同时也正好想向客户端发起断开请求则ACK和FIN同时返回给客户端。 TCP小结
为什么TCP这么复杂? 因为要保证可靠性, 同时又尽可能的提高性能.
可靠性: 校验和保证数据不会出现偏差例如比特位翻转 序列号(按序到达) 确认应答三.4. 超时重发四.5. 连接管理五. 流量控制七. 拥塞控制八.
提高性能: 滑动窗口 快速重传六.(4).② 延迟应答 捎带应答
其他:
定时器(超时重传定时器, 保活定时器, TIME_WAIT定时器等)
十一.面向字节流
1.面向字节流
创建一个TCP的socket, 同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区; ●调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中; ●如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出; ●如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 等到缓冲区长度差不多了, 或者其他合适的时机发送出去; ●接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区; ●然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据; ●另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做 全双工
由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要一一匹配, 例如: ●写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写一个字节; ●读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以一次read一个字节, 重复100次;即面向字节流是 发送数据的方式和数据的格式完全无关系。tcp是面向字节流的不关心任何的数据格式但是要正确使用这个数据必须得有特定的格式!谁来解释这个格式呢只能是应用层进行处理!所以我们自定义了协议decodeencode这一系列操作
2.粘包问题
首先要明确, 粘包问题中的 包 , 是指的应用层的数据包.
在TCP的协议头中, 没有如同UDP一样的 报文长度 这样的字段, 但是有一个序号这样的字段.
站在传输层的角度, TCP是一个一个报文过来的. 按照序号排好序放在缓冲区中.
站在应用层的角度, 看到的只是一串连续的字节数据.
那么应用程序看到了这么一连串的字节数据, 就不知道从哪个部分开始到哪个部分, 是一个完整的应用层数据包.
那么如何避免粘包问题呢? 归根结底就是一句话, 明确两个包之间的边界—定制协议.一般如何解决? 明确报文和报文的边界! !
例如http应用层协议利用空行来做分隔符读取到报头后找到里面contend-length 字段再读取出有效载荷。
对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 例如上面的Request结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲
区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;
对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序猿自己来定的, 只要保证分隔
符不和正文冲突即可);
思考: 对于UDP协议来说, 是否也存在 粘包问题 呢?
对于UDP, 如果还没有上层交付数据, UDP的报文长度仍然在. 同时, UDP是一个一个把数据交付给应用层. 就有很明确的数据边界.UDP报头是8字节定长且16位UDP长度是整个报文长度有效载荷长度UDP是知道的UDP向应用层交付不会出现粘包问题而tcp没有有效载荷字段因为他自己也不知道有效载荷大小只知道报头大小交付时去掉报头剩下有效载荷只能通过上层应用层定的协议来得出真正的有效载荷
站在应用层的站在应用层的角度, 使用UDP的时候, 要么收到完整的UDP报文, 要么不收. 不会出现半个的情况. 3.TCP异常情况
进程终止: 进程终止会释放文件描述符, 仍然可以发送FIN. 和正常关闭没有什么区别.
机器重启: 和进程终止的情况相同.
机器掉电/网线断开: 接收端认为连接还在, 一旦接收端有写入操作, 接收端发现连接已经不在了, 就会进行reset. 即
使没有写入操作, TCP自己也内置了一个保活定时器, 会定期询问对方是否还在. 如果对方不在, 也会把连接释放.
另外, 应用层的某些协议, 也有一些这样的检测机制. 例如HTTP长连接中, 也会定期检测对方的状态. 例如QQ, 在QQ
断线之后, 也会定期尝试重新连接.
4.基于TCP应用层协议
HTTP
HTTPS
SSH
Telnet
FTP
SMTP
当然, 也包括你自己写TCP程序时自定义的应用层协议;
5.TCP/UDP对比
我们说了TCP是可靠连接, 那么是不是TCP一定就优于UDP呢? TCP和UDP之间的优点和缺点, 不能简单, 绝对的进行 比较 TCP用于可靠传输的情况, 应用于文件传输, 重要状态更新等场景; UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域, 例如, 早期的QQ, 视频传输等. 另外UDP可以用于广 播; 归根结底, TCP和UDP都是程序员的工具, 什么时机用, 具体怎么用, 还是要根据具体的需求场景去判定. 用UDP实现可靠传输(经典面试题) 参考TCP的可靠性机制, 在应用层实现类似的逻辑; 例如: 引入序列号, 保证数据顺序;引入确认应答, 确保对端收到了数据; 引入超时重传, 如果隔一段时间没有应答, 就重发数据; ......
