1、1,第十九講 可靠數(shù)據(jù)傳輸與TCP協(xié)議,2,可靠數(shù)據(jù)傳輸與TCP協(xié)議,本講內(nèi)容 可靠數(shù)據(jù)傳輸 連接管理 傳輸控制協(xié)議 TCP報(bào)文格式 TCP傳輸特性 TCP流量控制 TCP定時(shí)器設(shè)定,基本要求 熟練掌握連接管理 掌握可靠數(shù)據(jù)傳輸 熟練掌握TCP協(xié)議 閱讀 1 6.1、6.2 3 3.4.1、3.4.2,3,可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)模式與實(shí)現(xiàn),應(yīng)用層,傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層,rdt: reliable data transfer udt: unreliable data transfer,4,基于可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸,rdt1.0假設(shè) 底層網(wǎng)絡(luò)提供可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) 接收端有能力及時(shí)接收數(shù)據(jù) 特性 Data與

2、packet相同 無需反饋機(jī)制,5,基于不可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸（1）,rdt2.0假設(shè) 報(bào)文在傳輸過程中可能出錯(cuò) 報(bào)文在傳輸過程中不會(huì)丟失 ACK和NAK在傳輸過程中不會(huì)出錯(cuò) 新增三種功能 差錯(cuò)檢測（軟件校驗(yàn)和、硬件循環(huán)碼） 接收端反饋（ACK、NAK） 重發(fā)機(jī)制,isACK(rcvpkt)：收到的報(bào)文是肯定確認(rèn)ACK isNAK(rcvpkt)：收到的報(bào)文是否定確認(rèn)NAK corrupt(rcvpkt)：收到的報(bào)文在傳輸過程中出錯(cuò),6,基于不可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸（1）,7,基于不可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸（2）,rdt2.1假設(shè) 報(bào)文在傳輸過程中可能出錯(cuò) ACK和NAK也有可能出錯(cuò) ACK和

3、NAK不會(huì)丟失,isACK(rcvpkt)：收到的報(bào)文是肯定確認(rèn)ACK isNAK(rcvpkt)：收到的報(bào)文是否定確認(rèn)NAK corrupt(rcvpkt)：收到的報(bào)文在傳輸過程中出錯(cuò) notcorrupt(rcvpkt)：收到的報(bào)文無措,8,基于不可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸（2）,rdt2.1發(fā)送端,Wait for ACK or NAK 0,Wait for ACK or NAK 1,Wait for Call 1 from above,Wait for call from above,9,基于不可靠通道的可靠數(shù)據(jù)傳輸（2）,rtd2.1接收端,Wait for 1 from below,r

4、dt_rcv(rcvpkt) 對(duì)方傳輸實(shí)體將該請求排入隊(duì)列，直到TS用戶發(fā)出Open； 傳輸實(shí)體中斷或向TS用戶發(fā)信號(hào)通知到達(dá)一個(gè)請求被掛起；,18,CLOSED,CLOSED,LISTEN,CLOSE WAIT,SYN SENT,FIN WAIT,被動(dòng)打開,Close,Close,收到SYN,收到FIN,收到FIN,ESTAB,采用二次握手的連接建立過程,19,基于不可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連接建立,可能發(fā)生的錯(cuò)誤情況 連接發(fā)起方的SYN丟失 連接接受方的應(yīng)答SYN丟失 出現(xiàn)重復(fù)SYN的情況 A發(fā)起的SYN被延遲 B的響應(yīng)丟失 B的響應(yīng)被延遲,SYN重傳計(jì)時(shí)器,途徑：維護(hù)狀態(tài)信息,20,關(guān)閉連接,SY

5、N,SYN,SN0,SN1,SN2,SYN,SYN,SN0,SN1,SN2,B接受并確認(rèn),A發(fā)起連接,A打開新連接,接受已廢段SN2 因重復(fù)而丟棄合法SN2,解決辦法：每當(dāng)啟動(dòng)新連接時(shí)采用不同的序號(hào),A,B,A開始傳輸,序號(hào)固定從0開始對(duì)連接的影響,B接受并確認(rèn),A開始傳輸,21,SYN i,廢SYN i到達(dá)； B響應(yīng)；,SYN k,SYN j,SN k+1,B丟棄重復(fù)SYN；,因?yàn)閬y序B拒收段,現(xiàn)在兩邊認(rèn)為合法連接已存在,解決辦法：每一邊都顯式確認(rèn)對(duì)方的SYN和序號(hào),過時(shí)SYN對(duì)連接的影響,A,B,A發(fā)起SYN；,22,SYNx,SYNy, ACKx,SNx, ACKy,B接受并確認(rèn),A確認(rèn)

6、并開始傳輸,三次握手的連接建立,A,B,A發(fā)起連接,B接收數(shù)據(jù),通信兩端要保持有關(guān)連接的所有狀態(tài)信息。,一旦連接建好后兩個(gè)傳輸實(shí)體便可用任何滑動(dòng)窗口協(xié)議實(shí)現(xiàn)流量控制；,23,SYN x,SYN y, ACK x,REJECT, ACK y,廢SYN到達(dá) B接受并確認(rèn),A拒絕B的連接,三次握手對(duì)重復(fù)SYN的處理,A,B,24,SYN i,SYN k, ACK p,A發(fā)起連接,廢SYN到達(dá) A拒絕,REJECT, ACK k,B接受并確認(rèn),SYN j, ACK i,A確認(rèn)并開始傳輸,SN i, ACK j,A,B,三次握手對(duì)重復(fù)SYN的處理,25,連接建立初始序號(hào)的選擇,主機(jī)崩潰時(shí) 所有保持的有關(guān)

7、連接狀態(tài)信息全部失去； 重新建立的連接必須采用不受之前報(bào)文影響的序號(hào)； 基于時(shí)鐘方法 每臺(tái)機(jī)器的始終采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的形式； 連接建立時(shí)用時(shí)鐘的低k位作為初始序號(hào)； 解決方法 確保兩個(gè)序號(hào)相同的報(bào)文永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)有效； 主機(jī)恢復(fù)后等待T秒； 限制對(duì)序號(hào)的使用；,T是報(bào)文生存期的倍數(shù)，用來確保報(bào)文發(fā)出去T時(shí)間后不再存在。,26,序號(hào),時(shí)間,崩潰后用序號(hào)70重啟,T,序號(hào)選擇的限制,序號(hào)不能進(jìn)入禁止區(qū)域,70,t1=30s，創(chuàng)建一個(gè)連接并發(fā)送數(shù)據(jù)； t2=40s，發(fā)完序號(hào)為80的報(bào)文后，宕機(jī)； t3=70s，主機(jī)恢復(fù)建立新連接，初始序號(hào)70； t4=85s，發(fā)出序號(hào)為80的報(bào)文； t5=某個(gè)時(shí)刻，序

8、號(hào)為80的報(bào)文到達(dá)目的地可能因重復(fù)而被丟棄,一個(gè)序號(hào)在被使用后T時(shí)間之內(nèi)不得再用,27,2k-1,時(shí)間,序號(hào),T,T,發(fā)送速度對(duì)序號(hào)的影響,28,SYN x,SYN y, ACK x,SN x, ACK y,B接受并確認(rèn),A確認(rèn)并開始傳輸,SN x+1,FIN, ACK x,B釋放連接,數(shù)據(jù)丟失,A,B,連接釋放可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,A發(fā)起連接,？,29,可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之上連接釋放,非對(duì)稱方式 連接的任何一方均可向?qū)Ψ桨l(fā)釋放連接請求； 一旦該請求到達(dá)對(duì)方連接即告終止； 對(duì)稱方式 釋放連接后不能發(fā)數(shù)據(jù)但仍能接收； 只有在雙方均釋放連接后連接才算徹底終止；,30, ,最后發(fā)出信息的藍(lán)軍指揮官永遠(yuǎn)無法確定

9、信息是否安全到達(dá)對(duì)方。,釋放連接兩軍對(duì)壘問題,藍(lán)軍是否存在獲勝的機(jī)會(huì)？,31,不可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之上連接釋放,三次握手方式釋放連接,FIN,A發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,B發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN, ACK,釋放連接,ACK,A發(fā)ACK,釋放連接,A,B,32,FIN,A發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,B確認(rèn)并發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN，ACK,釋放連接,ACK,A發(fā)ACK,（超時(shí)） 釋放連接,A,B,三次握手釋放對(duì)最后確認(rèn)丟失的處理,33,FIN,A發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,B發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN,釋放連接,ACK,A發(fā)ACK,釋放連接,A重發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN,B發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN

10、,A,B,三次握手釋放對(duì)響應(yīng)丟失的處理,34,FIN,A發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,B發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN,（N次超時(shí)） 釋放連接,（超時(shí)） 釋放連接,A重發(fā)FIN 啟動(dòng)定時(shí)器,FIN,A,B,三次握手釋放對(duì)響應(yīng)確認(rèn)均丟的處理,35,傳輸控制協(xié)議（TCP）,TCP定義了 交換數(shù)據(jù)信息和確認(rèn)信息的格式； 確保數(shù)據(jù)正確傳送的過程； TCP規(guī)定了 如何識(shí)別給定機(jī)器上的多個(gè)目的進(jìn)程； 如何處理丟失或重復(fù)等差錯(cuò)情況； 如何初始化一個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸； 如何協(xié)商結(jié)束數(shù)據(jù)流；,TCP( Transmission Control Protocol)： 可靠的面向連接的端-端字節(jié)流傳輸協(xié)議。,RFC793 RFC1

11、122 RFC1323 RFC2018 RFC2581,36,TCP的協(xié)議特性,面向連接的 只在兩個(gè)端系統(tǒng)上保持連接狀態(tài)； 不同于TDM/FDM；不同于虛電路； 連接是全雙工的 可同時(shí)雙向傳送數(shù)據(jù)； 連接是點(diǎn)-點(diǎn)的 只能一對(duì)一通信（不支持一對(duì)多通信） 有緩沖的發(fā)送 無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流,37,TCP的協(xié)議特性（續(xù)）,D（512B）,C（512B）,B（512B）,A（512B）,TCP,TCP,A（512B）,B（512B）,C（512B）,D（512B）,CD （1024B）,AB （1024B）,ABCD （2048B）,無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流,？,？,？,socket,socket,TCP send

12、buffer,TCP receive buffer,端-端之間不保留消息邊界； 應(yīng)用程序通過socket發(fā)送的數(shù)據(jù)被緩存在send buffer中，何時(shí)從本地發(fā)出取決于具體的TCP實(shí)現(xiàn)；,38,Data (optional),TCP報(bào)文格式,unused,Header length,Receive window,Urgent data pointer,Checksum,Options (0 or more words),Acknowledgement number,Dest. Port#,Source port#,Sequence number,TCP報(bào)文固定頭長20字節(jié),39,TCP報(bào)文主要

13、字段,Source/Dest. Port# （16b） 用于多路復(fù)用和分用 Sequence number/ack. Number （32b） 用于可靠的數(shù)據(jù)傳送 Header length （4b） TCP頭以32位字計(jì)的長度 TCP頭的長度可變 Receive window （16b） 用于流量控制；指出接收端愿意接收的字節(jié)數(shù)； Checksum （16b） Urgent data pointer（16b） 指向urgent數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié);,40,TCP報(bào)文主要字段（續(xù)）,Options 收發(fā)雙方用來協(xié)商MSS、窗口擴(kuò)展因子、時(shí)間戳等； Data 應(yīng)用層數(shù)據(jù)受最大段長MSS限制；,41

14、,TCP的MSS（maximum segment size）,TCP segment TCP協(xié)議交換的數(shù)據(jù)單元（TPDU） 最大段長（MSS） MSS太小降低網(wǎng)絡(luò)利用率 MSS太大降低網(wǎng)絡(luò)性能 MSS的選擇 連接兩端處于同一物理網(wǎng)絡(luò) 選擇的MSS應(yīng)使IP數(shù)據(jù)報(bào)的大小與網(wǎng)絡(luò)MTU適應(yīng)； 連接兩端處于不同物理網(wǎng)絡(luò) 設(shè)置為途徑網(wǎng)絡(luò)的最小MTU或省缺值(536字節(jié))； 連接兩端必須協(xié)商MSS,Segment獨(dú)立確認(rèn) Fragment不能獨(dú)立確認(rèn) Fragment不能獨(dú)立重傳,42,TCP的段編號(hào)以及確認(rèn)編號(hào),TCP為每個(gè)字節(jié)編號(hào) TCP確認(rèn)號(hào)為等待的下一個(gè)字節(jié) TCP采用累計(jì)確認(rèn)（cumulative

15、 ack. ） TCP緩存到達(dá)的亂序數(shù)據(jù),第一段數(shù)據(jù),第二段數(shù)據(jù),確認(rèn)號(hào),未收到,未收到,面向連接的TCP如何接收亂序數(shù)據(jù)？,TCP的RFC將如何處理留給實(shí)現(xiàn)TCP的程序員自己決定。,43,TCP的urgent發(fā)送和push接收,緊迫數(shù)據(jù)的發(fā)送 URG強(qiáng)迫TCP發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)流中的字節(jié)； URG指針指出urgent數(shù)據(jù)所在； TCP將PSH位置1使接收端執(zhí)行緊迫操作； 帶外數(shù)據(jù) 允許發(fā)方將數(shù)據(jù)標(biāo)為緊急的 收方收到緊急數(shù)據(jù)后通知相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)入“緊急方式”,當(dāng)應(yīng)用程序希望不必等待另一端把數(shù)據(jù)流接收完畢后就能發(fā)送out of band數(shù)據(jù)。,44,TCP的窗口擴(kuò)大因子*,TCP報(bào)文的options

16、格式 選項(xiàng)表結(jié)束( kind=0) 無操作( kind=1) 最大段長( kind= 2) 窗口擴(kuò)大因子( kind=3),0/1,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具備高帶寬、高延遲特點(diǎn)時(shí)，一次發(fā)送64KB字節(jié)可能帶來發(fā)送的低效率。TCP用窗口擴(kuò)大選項(xiàng)來加大每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量。,假設(shè)線路帶寬T1=45Mbps；報(bào)文長度64KB； T發(fā)送時(shí)間=12ms; T往返延遲=50ms;,發(fā)送效率約為1/4,45,TCP的窗口擴(kuò)大因子（續(xù)）*,移位數(shù)值表示窗口大小擴(kuò)大的位數(shù)（至多14） 允許窗口大小從216擴(kuò)大到230個(gè)字節(jié) 收到窗口通告時(shí)要左移才能獲得實(shí)際的窗口大小 發(fā)送窗口通告時(shí)要右移 該選項(xiàng)必須在連接建立時(shí)協(xié)商 每個(gè)方向上的擴(kuò)

17、大因子可不同,46,TCP的連接建立,被動(dòng)打開與主動(dòng)打開 雙方TCP軟件模塊進(jìn)行通信來建立和檢驗(yàn)一個(gè)連接； 建立連接 TCP的連接建立采用三次握手方法； TCP采用基于時(shí)鐘的序號(hào)產(chǎn)生方案（每4us） 雙方協(xié)商初始序號(hào)；,A,B,SYNx,SYNy, ACKx+1,SYNx+1, ACKy+1,SYN用于初始化連接時(shí)，segment只包含一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。,47,FINx,ACKy+1,ACKx+1,FINy, ACKx+1,關(guān)閉連接,通知應(yīng)用程序,關(guān)閉連接,TCP的連接釋放,TCP協(xié)議用改進(jìn)的三次握手來關(guān)閉連接; 每個(gè)方向連接單獨(dú)釋放； 超時(shí)值設(shè)定為2倍的MSL;,A,B,在2*MSL時(shí)間內(nèi)未收

18、到FIN的確認(rèn)，則FIN發(fā)送端直接釋放連接。,48,主動(dòng)關(guān)閉,被動(dòng)關(guān)閉,CLOSED,CLOSED,CLOSE WAIT,FIN WAIT1,ACK/ -,SYN+ACK/ACK,LISTEN,CONNECT/SYN,SYN/SYN+ACK,ESTAB,FIN WAIT2,CLOSING,TIMED WAIT,SYN RCVD,SYN SENT,CLOSE/FIN,FIN/ACK,ACK/ -,LAST ACK,CLOSE/FIN,FIN/ACK,ACK/ -,timeout,同時(shí)關(guān)閉,被動(dòng)打開,主動(dòng)打開,TCP狀態(tài)機(jī)*,FIN/ACK,ACK/ -,49,SYN SENT(主動(dòng)打開),LIS

19、TEN(被動(dòng)打開),SYN RCVD,ESTAB,ESTAB,FIN WAIT1(主動(dòng)關(guān)閉),CLOSE WAIT(被動(dòng)關(guān)閉),FIN WAIT2,TIMED WAIT,LAST ACK,CLOSED,SYNi,SYNj, ACKi+1,ACKj+1,FINm,ACKm+1,FINn,ACKn+1,連接建立和終止對(duì)應(yīng)的狀態(tài)*,50,空(4K),應(yīng)用程序?qū)懭?K,應(yīng)用程序?qū)懭?K,阻塞,應(yīng)用程序讀出2K,接收緩沖區(qū),TCP傳輸策略,TCP采用大小動(dòng)態(tài)變化的滑動(dòng)窗口協(xié)議 由接收端通過window size字段反饋當(dāng)前可接收的字節(jié)數(shù),Seq=0,Ack=2048;Win=2048,Seq=2048,

20、Ack=4096;Win=0,Ack=4096;Win=2048,應(yīng)用程序?qū)懭?K,51,TCP的重傳與確認(rèn),TCP采用累計(jì)確認(rèn) 確認(rèn)容易產(chǎn)生； 確認(rèn)丟失不一定導(dǎo)致發(fā)方重傳；,Seq=92,8B data,ACK=100,ACK=110,A,B,丟失,Seq=100,10B data,Seq=92的超時(shí)值,TCP沒有否定確認(rèn)機(jī)制，接收端只能通過重復(fù)確認(rèn)來報(bào)告某些出錯(cuò)情況。,52,TCP的重傳與確認(rèn),累計(jì)確認(rèn)的缺點(diǎn) 發(fā)方不能收到所有成功傳送的段的確認(rèn)信息 只知道已收到的數(shù)據(jù)流中的某一位置信息 缺乏全部成功傳送的信息會(huì)使累計(jì)確認(rèn)的效率降低,初始序號(hào)=101；窗口大小=5000；,丟失,Ack=10

21、1,Seq=101;1000B,Seq=1101;1000B,Seq=2101;1000B,Seq=3101;1000B,Seq=4101;1000B,Ack=101,Ack=101,Ack=101,53,TCP的快速重傳機(jī)制,基于超時(shí)的重發(fā)機(jī)制的不足 發(fā)送端等待一定時(shí)間才能重發(fā)可能丟失的段； 加劇端-端的延遲； 快速重傳 發(fā)送端檢測到三個(gè)重復(fù)ACK立即重傳該ACK所指的段,已收到 （假設(shè)最后一個(gè)序號(hào)是x）,序號(hào)不連續(xù) （數(shù)據(jù)塊有溝壑）,已收到 （假設(shè)第一個(gè)序號(hào)是y）,接收端重復(fù)確認(rèn),接收端的接收情況,54,TCP的流量控制機(jī)制,TCP發(fā)送端維護(hù)一個(gè)變量receive window記錄接收端能

22、接收的字節(jié)數(shù),空閑區(qū)域,TCP數(shù)據(jù),from IP,To application,接收緩沖區(qū)RcvBuffer,接收窗口RcvWindow,LastByteRead：接收端應(yīng)用程序接收的最后一個(gè)字節(jié)序號(hào)； LastByteRcvd：接收端從網(wǎng)絡(luò)接收的最后一個(gè)字節(jié)序號(hào)；,55,TCP的流量控制機(jī)制（續(xù)）,TCP接收端通過報(bào)文的window size返回接收窗口值 TCP發(fā)送端,LastByteRcvd LastByteRead = RcvBuffer,RcvWindow = RcvBuffer - LastByteRcvd LastByteRead,LastByteSent：發(fā)送端發(fā)出的最后一個(gè)字節(jié)序號(hào)； LastByteAckd：發(fā)送端從網(wǎng)絡(luò)接收的最后一個(gè)確認(rèn)序號(hào)；,LastByteSent LastByteAckd：已經(jīng)發(fā)出但未收到確認(rèn)的字節(jié)數(shù),LastByteSent LastByteAckd = RcvWindow 就能保證發(fā)送端不會(huì)淹沒接收端,56,41B(數(shù)據(jù)段),40B(ACK),40B(Win),41B(echo),TCP性能問題一,telnet應(yīng)用實(shí)例 本地?fù)翩I一次 接收端確認(rèn) 接收端反饋窗口 ECHO本地字符,A,對(duì)于每個(gè)輸入字符，需發(fā)送4個(gè)段共162字節(jié)。,57,TCP性能問題一的優(yōu)化方法,優(yōu)化方法一 將確認(rèn)和窗口更新段延遲500ms以便搭載在后續(xù)