计算机网络原理 笔记 3

网络原理 运输层

无连接运输：UDP

优势：

• 关于发送什么数据以及何时发送的应用层控制更加精细
• 无需建立连接（无需握手）
• 无连接状态
• 报文段首部短

报文段

检验和

发送方将所有$16$比特字段求和并取反码，得到检验和，接收方将所有$16$比特字段（包括检验和）进行求和，如果结果不是全$1$则有错，只能检验不能恢复

可靠数据传输

下层协议可能不可靠
(ARQ) 功能：

• 差错检测
• 接收方反馈
• 重传
  
  在上一组数据传完并得到ACK相应之前不会有下一组数据，也即上层协议的send不会被调用，称为停等协议
  考虑处理ACK/NAK受损的问题：
  
  
  在$2.2$中，可以看出在接收到ACK的时候会判断其数字是否与当前状态相同，如果不相同则视作NAK
  为了处理丢包，在发送发建立一个定时器，使得其能够在一定时间未接收到ACK之后默认为丢包，重发分组并且重置定时器
  
  

流水线

减少停等带来的传输利用率低下（传播时延远远大于传输时延）

• 增加序号
• 双方缓存多个分组
• 差错恢复：回退N步与选择重传

回退N步

当base得到确认之后窗口开始滑动，具体的FSM如下：

超时的时候，重传所有已发送但是未被确认的分组，同时接收方会丢弃所有失序的分组

选择重传

窗口长度必须不大于分组序号空间大小的一半，反之无法正常工作，接收方会出现无法分辨重传与新分组的现象
接收方收到自身的滑动窗口之前的分组时仍要发送ACK，否则发送方无法知道已被接收，窗口不能滑动

可靠数据传输总结

TCP

连接

• 全双工服务：双向传输
• 点对点：一对一传输
  传输路径：进程 -> 套接字 -> 发送缓存 -> 网络层 -> 接收缓存 -> 套接字 -> 进程
  典型的MSS的值为$1460$字节

报文

• 接收窗口字段：用于流量控制，指示接收方愿意接受的字节数量
• 选项字段：协商MSS，或在高速网络下作为窗口调解因子
• 标志字段：
  • ACK：确认接收
  • RST, SYN, FIN：用于建立和拆除连接
  • PSH：指示接收方立即上传数据
  • URG：指示紧急数据

序号和确认号

一个报文段的序号是指该报文段首字节的字节流编号，TCP将数据看成有序字节流，对每一个字节分别标号
确认号指的是期待收到的最小字节标号，例如发送方已经收到$0\sim100$和$200\sim300$，则确认号为$101$

往返时间与超时

时限必须要大于RTT

• SampleRTT：报文段从发出到接被确认接收所需要的时间，在任意时刻仅测量一个报文段的SampleRTT而不是计算所有待确认的报文段，得到结果后加权更新，同时计算RTT偏差：

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

  $$\text{DevRTT} = (1-\beta)\text{DevRTT} + \beta|\text{SampleRTT} - \text{EstimatedRTT}|$$

• 时限应当确定为：

  $$\text{Timeout} = \text{EstimatedRTT} + 4\text{DevRTT}$$

• 在真实处理中，有一种技术是在每次超时之后将时限翻倍

可靠数据传输

冗余ACK：用于指示报文丢失，当重复收到一个报文段的$3$次冗余ACK，之后，立即重传其下一个报文

流量控制

使得发送速率与接收方的读取速率相匹配，通过发送发来维护接收窗口实现，指示接收方剩余的缓存空间

发送方保证发送到连接中但是未被确认的数据量小于rwnd即可
特例：当缓存已经满了的时候发送仅含一字节数据的报文段，此时接收方开始清空缓存，并在确认报文里发送新rwnd

三次握手

• 客户向服务器发送一个SYN为$1$的报文段，随机选择一个初始序号，请求连接
• 服务器接收，分配缓存与变量，选择初始序号，返回SYNACK报文段表示允许连接
• 客户端接收，分配缓存与变量，连接建立

关闭过程：

• 客户端发送FIN置$1$的报文段表示关闭请求，并接收ACK，清理变量和缓存
• 服务端发送FIN置$1$的报文段表示关闭请求，并接收ACK，清理变量和缓存

拥塞控制

原因

• 理想路由器，分组的到达速率接近链路容量时，排队时间趋近于无穷大
• 有缓存的路由器，发送方因为大时延进行不必要重传占据链路带宽
• 上游路由器发送的分组最终被丢弃，这样发送它所占用的资源就被浪费了

控制方法

• 端到端：网络层不反馈，全部依靠运输层
• 网络辅助：网络层会反馈一些信息

TCP拥塞控制

发送方维护一个拥塞窗口cwnd，满足

$$\text{LastByteSent} - \text{LastByteAck} \leq \min(\text{cwnd}, \text{rwnd})$$

发送速率为

$$\frac{\text{cwnd}}{\text{RTT}}字节/秒$$

发送方判定丢包为超时或三个冗余ACK
TCP为自计时的

TCP拥塞控制算法

慢启动：

cwnd初始值被确定为一个MSS，传输的报文段被首次确认的时候增加一个MSS，因此整体呈现几何级数增长的形式，同时在发送方维护ssthresh（慢启动阈值），结束增长有如下情况：

• 超时丢包：重新初始化并慢启动，令$\text{ssthresh} = \text{cwnd}/2$
• $\text{cwnd} = \text{ssthresh}$：进入拥塞避免
• $3$个冗余ACK：快速重传，进入快速恢复

拥塞避免

每个RTT只增加一个MSS而不是翻倍，例如每个ACK增加$\text{MSS}^{2}/\text{cwnd}$，结束控制如下：

• 超时丢包：同慢启动
• $3$个冗余：快速重传，令$\text{ssthresh} = \text{cwnd}/2, \text{cwnd} = \text{ssthresh} + 3\text{MSS}$

快速恢复

每个冗余ACK增加一个MSS，结束控制：

• 超时丢包：同慢启动

回顾

整体拥塞控制方法成为加性增，乘性减
另一种拥塞控制方法为基于延迟，即实时检测吞吐量，并于最大吞吐量$\text{cwnd}/\text{RTT}$进行比较，并且线性增减去趋近最大吞吐量

宏观吞吐量

以$W$代表窗口长度，则

$$Mean = \frac{0.75*W}{\text{RTT}}$$

高带宽TCP

设$L$为丢包率，则

$$Mean = \frac{1.22*\text{MSS}}{\text{RTT}*\sqrt{L}}$$

这代表高吞吐率需要非常低的丢包率来支持

TCP公平性

公平性代表瓶颈链路分配给每条链路的资源应该是相近的
TCP趋近于多条链路之间平等分享，但是在实际应用中，RTT较小的通常吞吐量更大

公平与UDP

UDP无拥塞控制，并且可能会抑制TCP

公平与并行TCP

一个应用使用多条TCP并行会导致占用过多资源，但是资源的公平应该是在应用层面上的

明确拥塞公告

网络层辅助的拥塞控制机制

IP协议的首部中有两个比特被用于标记ECN，当接收方收到ECN时则在回复的ACK中设置ECE，发送发收到之后进行窗口减半处理（和超时丢包相同），并在下一个报文段首部标记CWR字段（拥塞窗口缩减）