tcp中的一些细节

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RTT(往返时延)

RTT的估计和超时

tcp像很多其他的协议一样，超时的时候会重发，但是如何估计往返时间和设定超时时间是一个需要考虑的问题

估计往返时延

segment里面有SampleRTT，计算方式是一个segment发出的时间，到ack收到的时间，对于重发的segment则不进行计算

显然这个值会因为网络状况产生一些波动，为了估计一个典型的RTT. TCP维护一个平均值，EstimatedRTT:

$$
\mathtt{EstimatedRTT}=(1-\alpha)·\mathtt{EstimatedRTT}+\alpha·\mathtt{SampleRTT}
$$

其中常用的$\alpha$值为$0.125$

DevRTT

DevRTT是用来衡量SampleRTT波动程度的值，公式如下：

$$
\mathtt{DevRTT}=(1-\beta)·\mathtt{DevRTT}+\beta·\mid\mathtt{SampleRTT}-\mathtt{EstimatedRTT}\mid
$$

EstimatedRTT和DevRTT都是一个EWMA(指数加权移动平均值)

计算重发间隔

有了EstimateRTT和DevRTT，超时时间应当如何计算？首先它需要不小于EstimateRTT，但是又不能太大，防止延迟过高。
所以设置方式通常是在EstimateRTT上加一个margin，这个margin的值需要根据SampleRTT的波动情况来设置。因此TCP采用的方式是:

$$
\mathtt{TimeoutInterval}=\mathtt{EstimatedRTT}+4·\mathtt{DevRTT}
$$

推荐使用的初始值则是1秒，当发生超时时，TimeoutInterval会倍增，直到它被重新计算。

可靠的数据传输

TCP在IP协议的基础上提供了可靠的数据传输，解决了数据错误，丢包，重复和顺序错乱的问题。

TCP推荐只维护一个重发的计时器，尽管可能有很多还没有收到ACK的包

一个简化的模型

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NextSeqNum=InitialSeqNumber
SendBase=InitialSeqNumber

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)
			break;
			
		event: timer timeout
			retransmit not-yet-acknowledged segment with
				smallest sequence number
			start timer
			break;
			
		event: ACK received, with ACK field value of y
			if (y > SendBase) {
				SendBase = y
				if (there are currently any not-yet-acknowledged segments) {
					start timer
				}
			}
			break;

}

有了上述的简化模型我们就可以进行一些场景模拟了

场景一

  1. Host A向Host B发了一个包，seq=92, length=8 bytes,
  2. Host B向Host A发了一个ack=100,但是丢了
  3. timer时间到了，Host A重发了这个包
  4. Host B发现是收过的，直接给Host A发了ack=100
  5. Host A收到，继续正常工作

场景二

  1. Host A向Host B发了一个包，seq=92,length=8 bytes
  2. Host A向Host B发了一个包, seq=100,length=20 bytes
  3. Host B收到seq=92的包，发了一个ack=100
  4. Host B收到seq=100的包，发了一个ack=120
  5. 两个ack包没能在超时前收到，Host A重发了seq=92的包
  6. Host B收到seq=92的包，发了一个ack=120
  7. Host A开始发seq=120的包，继续正常工作

场景三

  1. Host A向Host B发了上述1.2.中的两个包
  2. Host B发了一个ack=100，丢了
  3. Host B发了一个ack=120
  4. Host A在超时前收到了sck=120
  5. Host A发送seq=120，继续正常工作

添加翻倍机制

在上述的简化模型中，加入如下机制：

每当timeout重发时，将TimeoutInterval翻倍，可以在网络拥塞时产生一些效果

在CSMA/CD中你会看到类似的做法。

快速重传

在简单的模型上进行修改，已达到如下效果：

  1. Host A向Host B连发了5个包
  2. Host B收到了第一个包，并发送了ack=100
  3. 第二个包丢了
  4. Host B在收到3,4,5时连发了三个ack=100
  5. Host A的timer还没有超时，但收到三个duplicated ack了
  6. Host A重发seq=100 
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event: ACK received, with ACK field value of y
	if (y > SendBase) {
		SendBase=y
		if (there are currently any not yet acknowledged segments) {
			start timer
		}
	} else {
		increment number of duplicate ACKs received for y
		if (number of duplicate ACKs received for y==3) {
			resend segment with sequence number y
		}
	}
	break;

流控制(暂时略过)

TCP连接管理

这部分关注的是TCP连接的建立和断开

三次握手

Step1

客户端向服务端发起请求，带有SYN，并且随机选择一个Seq值x，把报文段发到服务端

Step2

服务端收到报文段，分配TCP连接的缓冲区，初始化一些变量。
服务端发送一个SYN报文给客户端，ack=x+1，seq为随机值y
此报文称为SYNACK报文

Step3

客户端收到SYNACK，分配缓冲区，初始化一些变量。
向服务端发送ack=y+1,seq=x+1

四次挥手

Step1

客户端向服务端发送FIN报文

Step2

服务端向客户端发送ACK报文

Step3

服务端向客户端发送FIN报文

Step4

客户端向服务端发送ACK报文。
服务端收到ACK后将关闭，客户端等待一段时间后关闭

TCP的生命周期

客户端