传输控制协议TCP课件

第7章传输控制协议TCP要求：1.掌握TCP的可靠性机制：确认、重传、序号；2.掌握TCP的流控和提高传输效率策略：滑动窗口机制；3.掌握TCP连接的建立与关闭协议：三次握手；4.掌握TCP的报文段格式；5.掌握TCP的拥塞控制技术；6.掌握TCP避免糊涂窗口综合症的技术；7.了解紧急数据发送和强迫数据发送。1精选ppt课件问题？IP协议的特点是什么？无连接不保证可靠性尽最大努力传输应用程序如果要得到高可靠性服务，有哪些途径？在IP层上增加一层功能模块由应用程序自身完成可靠性功能UDP能否满足应用程序的需求？2精选ppt课件7.1概述

1.可靠性：

①防丢失：确认与重传；

②防重复：报文段序号；

2.传输效率、流量控制：滑动窗口机制；

3.拥塞控制：加速递减与慢启动技术；

4.建立连接：三次握手协议；

5.关闭连接：改进的三次握手协议。要实现可靠的数据流传输服务，必须解决哪几个问题？3精选ppt课件①面向数据流；②虚电路连接；③有缓冲的传输；④无结构的数据流；⑤全双工连接。

可靠传输服务有哪些特点?7.2TCP的特点4精选ppt课件7.3TCP连接1.建立连接：三次握手功能:1.同意连接协商，做好传输数据的准备；2.协商各自报文段ISN(初始序列号，不能为‘1’)；3.协商MSS（只有SYN报文段能协商MSS）。说明：

SYN报文段占用初始序号,发送数据的第一字节序号为ISN+1。

接收ACK客户端服务器报文段发送SYNseq=xREQUEST接收SYN发送SYNseq=y,ACKx+1ACCEPTED接收SYN+ACK发送ACKy+1CONFIRM5精选ppt课件关于ISN和MSSISN不能取1，为什么？ISN的设置方法是有一定规律的。MSS为什么要选择MSS?如果连接的两端在同一个物理网络中，TCP协议软件能计算出合适的MSS;如果连接的两端不在同一个物理网络中，则把路径上最小的MTU除去首部后的数据大小作为MSS.选择合适的MSS非常困难：太小，网络利用率低；太大，会降低网络性能。6精选ppt课件2.关闭连接：改进的三次握手说明：①FIN报文段占用一个序号；单纯的ACK报文段不占用序号。②TCP提供了半关闭能力：连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据。③有些编程接口提供close来关闭TCP连接，提供shutdown加特殊参数来实现半关闭。网点1网点2接收ACK接收ACK发送FINseq=x接收FINACKx+1发送FINseq=yACKx+1接收FIN+ACK发送ACKy+17精选ppt课件3.TCP连接异常关闭异常关闭：出现异常情况使得应用程序或网络软件中断连接。

连接复位–RST：发起端发RST报文段，双方立即停止传输，并退出连接。

8精选ppt课件4.端口、端点和连接（1）端口(21、23、25、53、79、80、88、139、161)（2）端点

一对整数：（hostIP，port）标识通信一方的一个应用程序。（3）连接

一对端点:表示通信双方应用程序间的一条虚电路。①主动打开–去请求②被动打开

–等待来（4）说明①一台机器上的一个TCP端口可被多个连接共享；②TCP、UDP可用相同的端口号，但不会冲突。

9精选ppt课件一个DOS命令：NetstatActiveConnectionsProtoLocalAddressForeignAddressStateTCPkoukou:105640:httpsESTABLISHEDNetstat–o:列出与每个端口相关的进程Netstat–r:

显示路由表10精选ppt课件7.4提供可靠性1.防丢失–带重传的肯定确认技术①接收方收到数据后向源站发确认（ACK）；

②设置定时器，源站在限定时间内未收到ACK，则重发。

数据发送方数据接收方接收确认发送分组接收分组发送确认接收确认发送分组接收分组发送确认超时重传11精选ppt课件两个问题如何识别和处理重复的数据？序号抛弃定时器时限设置多长？12精选ppt课件2.防重复和乱序报文段重复产生的原因？

“假“丢失：确认丢失或确认延迟（超时）到达，致使发送方重传造成的。解决方法：①

为每一分组赋予一个序号，用以检测重复。②序号同时保证了分组间的正确顺序。③

确认时通过确认号指明哪些分组已经收到。（累计确认）13精选ppt课件序号与确认号序号(seq)seq1=ISNseqn+1=seqn+第n个报文段的长度（以字节计）确认号（ACK）确认号=期望接收的下一个报文段的序号14精选ppt课件可提高效率的捎带累计确认技术什么是累计确认？只确认前面连续收到的报文什么是捎带确认？把对上一个报文的确认信息放到发给发送方的数据报文中捎带回去。15精选ppt课件3.RTT与重传定时器

对于超时重传的情况，如何设置重传定时器的时限？时限设置的过大过小会出现什么问题？网络性能不断变化，定时时限应动态调整两个概念：

①RTT：往返时间，报文段发出到收到确认信息间的时间段。②自适应重传算法：监视每个连接的性能，由此推算出合适的定时时限。当连接的性能变化时，随时修改定时时限。16精选ppt课件重传定时时限的计算方法重传定时时限的计算方法：①早期的方法②改进的方法③Karn算法和定时器补偿17精选ppt课件（1）早期的方法R：RTT的估计值(之前RTT的加权平均值)M：本次测量的RTT值RTO：定时时限修改估计值:R←αR+（1-α）M（0≤α<1，通常取α=0.9）计算时限:RTO=βR（β早期取2，后改为4）缺陷:在RTT变化较大的场合，说明网络某处处于拥塞状态，但上述方法对此反映不敏感，从而造成不必要的重传，进一步加重网络负担。18精选ppt课件（2）改进的方法

R：RTT的估计值

M：本次测量的RTT值

RTO：定时时限

Diff：本次测量结果与上次RTT估计值的偏差

Dev：平均偏差的估计值

Diff←M-RR←R+δ*DiffDev←Dev+ρ*(|Diff|-Dev)（Dev的估计值）

RTO←R+η*Dev

δ、ρ在0—1之间，通常取：

δ=1/8，ρ=1/4，η=819精选ppt课件（3）Karn算法和定时器补偿

确认二义性：对于重传的报文段，收到确认后是对哪一次传输的确认无法确定。结果：RTT样本值无法使用；Karn算法：思想：当超时重传发生时，不再更新RTT估计值，忽略重传样本。定时器补偿：超时重传发生，加大定时时限：RTO←γ*RTO（γ通常取2，即指数避退）。对重传分组的后续分组，定时时限不变，直到获得一个新的有效样本时再更改时限值。

20精选ppt课件7.5传输效率和流量控制-滑动窗口机制停-等机制：等前一个报文的确认到来后才能发送下一个报文，效率太低。1.一般的滑动窗口机制

思想：允许发送方不必等确认到来就可继续发送下面的分组，但规定一个上限。若多个分组的确认未到时，则暂停发送。

12345678910111213分组流WindowSize=8已发并得到确认不能发送已发未得到确认未发但可以发21精选ppt课件TCP的滑动窗口按字节操作而不是按报文段或分组操作。

TCP窗口大小为字节数。最大为65535字节。发送方为每个连接设置3个指针，定义了滑动窗口三要素：(1)左边界指针：区分已发送字节流中已确认部分与未确认部分。(2)右边界指针：序列中未得到确认情况下可以发送的最高字节的序号。(3)已发与未发边界指针：窗口中已发送和未发送字节的界限。2.TCP的滑动窗口技术22精选ppt课件12..100101102…410041014102…分组流WindowSize=4000右边界指针左边界指针已发与未发边界指针通信双方都设有发送和接收缓冲区（相当于发送窗口和接收窗口）。默认大小各系统有差异，如4096、8192、16384等。发送缓冲区大小为默认窗口大小。TCP连接两端各有两个窗口（发送窗口和接收窗口）23精选ppt课件3.TCP端到端流量控制-窗口大小可变技术时机：目的主机缓冲区变小而不能接收源主机更多的数据时，就要进行流量控制。TCP技术：可随时改变窗口大小。目的主机在确认时，向源主机告知目的主机接收缓冲区的大小。说明：接收方使用0窗口通告来停止所有的传输。此时，除了紧急数据和窗口试探报文外，不发其它数据。…101…200201…320321…399

发送窗口，初始时400确认（200）窗口通告（120）发送窗口，变为12024精选ppt课件如何防止死锁？当接收方缓存有了空间时，如何让对方继续发送数据给自己？如果窗口变为非0时，则接收方会向发送方发非0窗口的通告；但是，若该确认丢失，则会造成死锁。如何防止死锁？坚持定时器：发送方接收到0窗口通告时进行设置。用于周期性地向对方询问窗口大小。窗口试探报文：在坚持定时器时间到、但仍没收到接收方非0窗口的通知时发送。防止非0窗口通告丢失造成死锁。25精选ppt课件收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针发送端要发送900字节长的数据，划分为9个100字节长的报文段，而发送窗口确定为500字节。发送端只要收到了对方的确认，发送窗口就可前移。发送TCP要维护一个指针。每发送一个报文段，指针就向前移动一个报文段的距离。

举例26精选ppt课件发送端已发送了400字节的数据，但只收到对前200字节数据的确认，同时窗口大小不变。现在发送端还可发送300字节。1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送指针发送窗口前移已发送并被确认已发送但未被确认收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针27精选ppt课件发送端收到了对方对前400字节数据的确认，但对方通知发送端必须把窗口减小到400字节。现在发送端最多还可发送400字节的数据。1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认可发送不可发送指针发送窗口缩小1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送指针发送窗口前移已发送并被确认已发送但未被确认28精选ppt课件SEQ=1SEQ=201SEQ=401SEQ=301SEQ=101SEQ=501ACK=201,WIN=300ACK=601,WIN=0ACK=501,WIN=200主机A主机B允许A再发送300字节A还能发送200字节A还能发送200字节A还能发送300字节A还能发送100字节A超时重发，但不能发送序号500以后的数据允许A再发送200字节（序号501至700）A还能发送100字节（序号601至700）不允许A再发送（到序号600的数据都已收到）利用可变窗口大小进行流量控制

双方确定的窗口值是400SEQ=201丢失！29精选ppt课件1.什么是SWS？接收方的小窗口通告造成发送方发送一系列小的报文段，严重浪费网络带宽。2.启发式的避免策略：接收方：

（1）避免小窗口通告，在零窗口通告之后，只在可用缓冲区显著增加（缓冲区空间的一半或一个MSS）后才发送新的窗口通告（2）推迟确认（最多500ms），窗口大小不到避免SWS策略所需的尺寸时，不确认。为了使发送方正确估计RTT，至少每隔一个报文段要进行正常的确认。4.糊涂窗口综合症SWS

30精选ppt课件发送方：避免小报文段发送Nagle算法:自适应推迟传输以便将数据组块（1）连接建立后，最初的数据会立即发送。（2）当缓冲区中数据不足一个报文段，则推迟发送。等到一个确认来到（确认触发）时，发送缓冲区中的小报文段。3.说明

①Nagle算法的两个优点：

自适应：确认到达得越快，数据也就发送得越快；

计算简单：不需要定时器。②可关闭Nagle算法，应用程序接口一般提供选项TCP-NODELAY来关闭Nagle算法。31精选ppt课件拥塞：交换节点（如路由器）数据报负载过重的现象。回顾：IP层的拥塞控制技术：（ICMP源站抑制报文），是一种被动机制。TCP拥塞控制的必要性：在TCP层，拥塞造成时延增加，这又会造成超时重传，控制不当会进一步加重拥塞。7.6TCP拥塞控制技术

32精选ppt课件TCP控制拥塞的两个变量每一个TCP连接需要有以下两个状态变量：接收端窗口

(receiverwindow)，又称为通知窗口(advertisedwindow)。接收端根据其目前的接收缓存大小向发送方所许诺的最新的窗口值来自接收端的流量控制拥塞窗口

(congestionwindow)。发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值它对一个发送方能向网络中发送流量的速率进行限制来自发送端的流量控制。33精选ppt课件发送窗口的上限值发送窗口的上限值取决于接收端窗口rwnd和拥塞窗口cwnd这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定：

发送窗口的上限值

min[rwnd,cwnd]

34精选ppt课件慢启动门限慢启动门限（ssthresh）用于确定是采用慢启动还是拥塞避免算法来控制数据传送：当cwnd<ssthresh时，使用慢启动算法；当cwnd>ssthresh时，使用拥塞避免算法；当cwnd=ssthresh时，既可以使用慢启动算法，也可以使用拥塞避免算法。35精选ppt课件①拥塞窗口cwnd每个连接都有一个拥塞窗口，该窗口大小以字节为单位，但是增加和减少以MSS为单位；初始大小：1个MSS；②慢启动算法思想：新连接开始或拥塞解除后，都仅以一个最大报文段长度作为拥塞窗口cwnd的初始值。此后，每收到一个确认，cwnd增加一个MSS。③拥塞避免算法当cwnd增加到ssthresh的一半时，进入“拥塞避免”状态。思想：窗口中的所有报文段都被确认后，才将cnwd增加一个MSS。④加速递减技术指数级递减：出现超时重传时，将ssthresh值设为当前拥塞窗口的1/2，拥塞窗口恢复为1个MSS大小；指数退避：对保留在发送窗口中的报文段，将重传时限加倍。TCP拥塞控制技术

36精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-1当TCP连接进行初始化时，将拥塞窗口置为1。图中的窗口单位不使用字节而使用报文段。慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即ssthresh=16。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免

发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口和接收端窗口中的最小值。我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。37精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-2在执行慢开始算法时，拥塞窗口的初始值为1，发送第一个报文段M0。

246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免38精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-3246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免发送端收到ACK1（确认M0，期望收到M1）后，将拥塞窗口从1增大到2，于是发送端可以接着发送M1和M2两个报文段。39精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-4接收端发回ACK2和ACK3。发送端每收到一个对新报文段的确认ACK，就把发送端的拥塞窗口加1。现在发送端的拥塞窗口从2增大到4，并可发送M4~M6共4个报文段。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免40精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-5发送端每收到一个对新报文段的确认ACK，就把发送端的拥塞窗口加1，因此拥塞窗口随着传输次数按指数规律增长。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免41精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-6当拥塞窗口增长到慢开始门限值ssthresh时（即当CongWin=16时），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长ssthresh=16慢开始慢开始线性规律增长拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免42精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-7假定拥塞窗口的数值增长到24时，网络出现超时（表明网络拥塞了）。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免43精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-8更新后的ssthresh值变为12（即发送窗口数值24的一半），拥塞窗口再重新设置为1，并执行慢开始算法。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免44精选ppt课件慢开始和拥塞避免算法的实现举例-9

当CongWin=12时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一个MSS的大小。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口进入拥塞避免发生超时指数规律增长线性规律增长ssthresh=16慢开始慢开始拥塞避免拥塞避免更新后的ssthresh=12进入拥塞避免45精选ppt课件80KB超时64KBssthresh40KBssthresh46精选ppt课件7.7TCP报文1.报文段和序号：报文段是TCP软件间传输数据的基本单元，每个报文段都有一个序号。(1)选取初始序号(2)第n+1段的序号=第n段序号+第n段数据区字节数(相当于每个字节都有一个序号)源端口目标端口序号确认号首部长度保留码元比特窗口校验和紧急指针选项（若有）填充数据47精选ppt课件首部长度：4字节计数，最大15，TCP首部长度20-60序号：当前报文的序号确认号：希望接收的对方下一报文段序号(已成功接收到的数据字节序+1)说明：(1)序号和确认序号在一起使得确认可捎带进行。(2)TCP采用累计确认策略。(3)TCP采用经受时延的确认（时延一般为200ms）。缺点：发送方无法收到所有成功传输的报文段的确认信息，对往返时间样本的精确测量带来影响。48精选ppt课件窗口：通告对等端缓冲区大小，使发送方修改窗口的大小，以便进行收发双方的流量控制。

问题：初始窗口大小如何确定？默认值，在建立连接时互相通告校验和计算：加入伪首部，必须（UDP可选）源IP目标IP0协议TCP长度49精选ppt课件码元比特（标识报文段的目的与内容）：URG紧急ACK确认PSH强迫RST连接复位SYN序号同步FIN字节流同步带有确认建立连接异常关闭连接正常关闭连接50精选ppt课件选项：第一版TCP：定义了选项表结束、无操作、MSS（最大报文段长度。选项表结束Kind=0(1byte)MSSKind=2(1byte)len=4(1byte)MSS(2byte)MSS过小：效率低MSS过大：考虑分片，丢失可能性增大MSS接近路径MTU时为最佳（由于路径改变，很难）。说明：只有SYN报文能协商MSS，默认536字节无操作Kind=1(1byte)功能：使得选项达到4字节的整数倍51精选ppt课件选项：第二版TCP(rfc1323)：增加了窗口扩大因子和时间戳。窗口扩大因子Kind=3len=4移位数功能：将TCP窗口定义从16bit扩大到32bit。移位数=R：窗口大小=65535╳2R说明：①只能出现在一个SYN报文段中；②主动建立连接的一方发送这个选项，被动方收到该选项后才能发此选项；③每个方向上的扩大因子可以不同；52精选ppt课件时间戳选项：kind=8len=10时间戳值(4byte)时间戳回显应答(4byte)时间戳：发送方填时间戳回显应答：接收方确认复制发回功能：更好地估算RTT

防止回绕的序号问题：如果接收方发送了一个对两个报文段的确认，那么应该复制哪一个报文的时间戳字段呢？53精选ppt课件解决：TCP为每个连接保留一个时间戳数值。1.TCP设置两个变量：（1）tsrecent:每个连接的时间戳数值；（2）lastack:最后发送的ACK的确认序号；2.当包含lastack的报文段到达时，其中的时间戳被保存至tsrecent；3.无论何时发送确认，tsrecent将被写入时间戳回显应答字段，确认序号则被保存到lastack。54精选ppt课件分析：1.若ACK被接收方延迟，则回显的是第一个报文段。例：若包含1~1024和1025~2048字节的两个报文段到达，则：

lastack为1025，回显时间戳为1~1024的时戳。原因：发送方在进行重传超时时间的计算时，必须将延迟的ACK也考虑在内。2.若收到的报文失序，则丢失的报文段到达时，它的时间戳被回显。例：收到报文的顺序为1~1024->2049~4072->1025~2048，则处理情况如下：（1）确认号为1025，回显时间戳为1~1024的时戳；（2）确认号为1025，回显时间戳为1~1024的时戳；（3）确认号为4073，回显时间戳为1025~2048的时戳；结果：造成RTT估计过高，比过低好55精选ppt课件7.8紧急数据和强迫数据发送1.紧急数据发送和带外数据

带外数据：源站不能按字节流的顺序而需要立即发给接收方并及时处理的数据(普通数据流中的紧急数据)。…………1………………URG位数据区紧急数据紧急指针接收方收到URG报文段，立即把紧急数据交应用程序处理，然后再处理普通数据流。通常，紧急数据从数据区最前端开始。但有些系统只传送1字节紧急数据，可位于数据区任意地方。56精选ppt课件2.强迫数据发送应用背景：通常，TCP为提高网络利用率，在缓冲区中积累够一个最大报文段容量的数据后才发送。在交互环境或实时性要求高的场合，每条命令（甚至每个字符）希望及时传送。TCP提供推（PUSH）操作，以强迫发送当前数据流中的数据而不必等待缓冲区满。应用方式：发送方将PSH置“1”，以通知接收方尽快把该报文段数据交应用程序。57精选ppt课件1.重传定时器：设定丢失重传的时间间隔。2.坚持定时器在接收方发出‘0’窗口通告后，发送方为了防止死锁发生，用一个坚持定时器周期性地向接收方发送窗口探察报文，防止“0”窗口通告后窗口恢复通告丢失后造成死锁。3.保活定时器（间隔：2小时）在服务器端检测半开放的连接。如果一个给定的连接在两个小时内没有任何动作，则服务器会向客户端发送一个探察报文段，根据响应情况进行处理。7.9

TCP的定时器58精选ppt课件

客户机可能的四种状态：①客户机正常工作，并从服务器可达：2小时后保活定时器复位；若期间有通信，通信后2小时再复位；②客户机崩溃：服务器连续发10个探察报文，回应超时时间间隔设置为75秒，若始终没有回应，则终止连接；③客户机崩溃后重新启动：服务器收到RST回应报文，终止连接；④客户机