tcpip网络原理与应用

《TCP/IP网络原理与应用》袁巍华中科技大学电信系2012.04《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2主要内容TCP的流量控制与拥塞控制TCP的重传机制TCP的选项TCP的有限状态机《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2参考资料《计算机网络》（第四版），谢希仁《TCP/IP详解卷1：协议》，W.RICHARDSTEVENS《下一代INTERNET的网络技术》，李津生等《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2主要内容TCP的流量控制与拥塞控制TCP的重传机制TCP的选项TCP的有限状态机《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2TCP的流量控制与拥塞控制

0.拥塞的概念在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生拥塞(congestion)。出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和>可用资源若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2拥塞控制与流量控制的关系拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制，是局部问题。

流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2TCP的流量控制与拥塞控制

1.滑动窗口等概念TCP采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是字节。在TCP报文段首部的窗口字段写入的数值就是当前给对方设置的发送窗口数值的上限。发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收端可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值(可增大或减小)。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[实验]观察发送窗口大小变化实验步骤：编程实现TCP服务器并运行该服务器在三次握手完成后即进入休眠状态使用Telnet连接该服务器并发送数据使用Windump抓包分析《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2窗口减小《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2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。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2收到确认即可前移1002003004005006007008009001012013014015016017018011可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011发送窗口可发送不可发送指针发送窗口前移发送端已发送了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。已发送并被确认已发送但未被确认《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍21002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认已发送但未被确认可发送不可发送指针1002003004005006007008009001012013014015016017018011已发送并被确认可发送不可发送指针发送窗口前移发送窗口缩小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。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2零窗口探测（1）TCP提供可靠的传输服务，将TCP分组送到目的地，如果需要可进行重发。然而，TCP并不保证接收确认的可靠性。通常，这种操作不会发生严重问题。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2零窗口探测（2）不重发接收确认分组会出现以下危险工作站将窗口置成0，处于至少在短时间内一个字节也不能从连接上接收的状态。拥塞消除后，工作站重新发送接收确认分组，再次打开窗口。假定该分组在传输中丢失。PC没有收到该分组，故无法知道窗口又被打开。这时，此连接出现了问题。如果工作站没有要发送的数据，它就没有理由发送其他TCP分组。另一方面，PC误认为窗口被关闭，不允许发送其他分组。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2零窗口探测（3）为了消除这种死锁（deadlock）状态，要求PC侧的TCP发起特殊的操作。也就是说，在窗口完全关闭的情况下，TCP总是定时地发送分组。当然，因该分组在窗口之外，所以预料对方会拒绝该分组。其结果不外乎以下二种情况，一种是对方以接收确认分组形式传来拒绝信息，利用它可以确认零窗口（zerowindow）仍然存在，另一种实际上是重发那个丢失的带有打开窗口信息的接收确认分组。在TCP规范中，推荐在该连接当前的重发定时器设定的时间内若窗口处于关闭状态时，发送第一个零窗口探测分组。然后，应以指数增大的间隔发送其后的探测分组直至某一最大值。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2零窗口探测（4）《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2零窗口探测（5）PC收到关闭窗口的第一个接收确认分组后，立即启动定时器。当定时器超时而窗口依然被关闭时，PC发送1字节的数据，即序列号为200的字节。此时，因窗口依然处于关闭状态，工作站可通过对该分组应答进行确认。此后当工作站变为能够接收下一个数据的状态时，就发送接收确认分组以开放窗口。图中此分组丢失。幸好，PC再次进行零窗口探测。在进行该操作时，工作站应收到第200号字节。PC收到它的确认分组时，窗口已经打开。于是连接上的数据流重新流动。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[实验]零窗口现象观察实验步骤：编写服务器并运行客户连接上后，服务器即进入睡眠状态编写客户端并连接上述服务器不停地向服务器发送数据使用WinDump抓包并分析请观看录像《窗口减小至0》《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[实验]零窗口探测实验步骤：编写服务器并运行客户连接上后，服务器即进入睡眠状态20秒醒来后，服务器读取数据编写客户端并连接上述服务器不停地向服务器发送数据使用WinDump抓包并分析《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[实验]零窗口探测TCP服务器代码《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[实验]零窗口探测使用命令windump–i2tcpandhost06>1.txt抓包数据部分结果请见《零窗口探测.doc》《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍22.慢开始和拥塞避免发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要根据接收端的接收能力，又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。因此，每一个TCP连接需要有以下两个状态变量：接收端窗口rwnd(receiverwindow)又称为通知窗口(advertisedwindow)。拥塞窗口cwnd(congestionwindow)。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2接收端窗口rwnd和

拥塞窗口cwnd(1)接收端窗口rwnd这是接收端根据其目前的接收缓存大小所许诺的最新的窗口值，是来自接收端的流量控制。接收端将此窗口值放在TCP报文的首部中的窗口字段，传送给发送端。(2)拥塞窗口cwnd(congestionwindow)是发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的控制。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2发送窗口的上限值发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口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](7-1)当rwnd<cwnd时，是接收端的接收能力限制发送窗口的最大值。当cwnd<rwnd时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。

《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始算法的原理在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口cwnd设置为一个最大报文段MSS的数值。在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例当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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口cwnd和接收端窗口rwnd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。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例在执行慢开始算法时，拥塞窗口cwnd的初始值为1，发送第一个报文段M0。

246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口cwnd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cwnd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。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例接收端发回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cwnd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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例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cwnd随着传输次数按指数规律增长。246810121416182022004812162024传输次数拥塞窗口cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例当拥塞窗口cwnd增长到慢开始门限值ssthresh时（即当cwnd=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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例更新后的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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2慢开始和拥塞避免算法的实现举例当cwnd=12时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按按线性规律增长，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cwnd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《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2乘法减小“乘法减小“是指不论在慢开始阶段还是拥塞避免阶段，只要出现一次超时（即出现一次网络拥塞），就把慢开始门限值ssthresh设置为当前的拥塞窗口值乘以0.5。当网络频繁出现拥塞时，ssthresh值就下降得很快，以大大减少注入到网络中的分组数。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2加法增大“加法增大”是指执行拥塞避免算法后，当收到对所有报文段的确认就将拥塞窗口cwnd增加一个MSS大小，使拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2必须强调指出“拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2快重传和快恢复快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认。这样做可以让发送方及早知道有报文段没有到达接收方。发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段。不难看出，快重传并非取消重传计时器，而是在某些情况下可更早地重传丢失的报文段。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2发送方接收方发送M1确认M1t确认M2发送M2发送M3发送M4？发送M5发送M6重复确认M2立即重传M3重复确认M2重复确认M2t发送M7收到三个连续的对M2的重复确认立即重传M3丢失快重传举例《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2快恢复算法(1)当发送端收到连续三个重复的确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。但接下去不执行慢开始算法。(2)由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此现在不执行慢开始算法，即拥塞窗口cwnd现在不设置为1，而是设置为减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍224从连续收到三个重复的确认

转入拥塞避免

2468101214161820220048121620传输轮次拥塞窗口cwnd收到3个重复的确认执行快重传算法慢开始“乘法减小”拥塞避免“加法增大”TCPReno版本TCPTahoe版本ssthresh的初始值拥塞避免“加法增大”新的ssthresh值慢开始快恢复《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2[补充]随机早期检测RED

(RandomEarlyDetection)

使路由器的队列维持两个参数，即队列长度最小门限THmin和最大门限THmax。RED对每一个到达的数据报都先计算平均队列长度LAV。若平均队列长度小于最小门限THmin，则将新到达的数据报放入队列进行排队。若平均队列长度超过最大门限THmax，则将新到达的数据报丢弃。若平均队列长度在最小门限THmin和最大门限THmax之间，则按照某一概率p将新到达的数据报丢弃。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2RED将路由器的到达队列

划分成为三个区域

从队首发送最小门限THmin最大门限THmin分组到达平均队列长度Lav排队丢弃以概率p丢弃《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2丢弃概率

p与

THmin和

Thmax的关系最小门限THmin最大门限THmax平均队列长度Lav分组丢弃概率p1.00pmax当LAV

Thmin时，丢弃概率p=0。当LAV

Thmax时，丢弃概率p=1。当THmin

LAV

THmax时，

0

p

1。例如，按线性规律变化，从0变到pmax。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2瞬时队列长度和

平均队列长度的区别

队列长度时间瞬时队列长度平均队列长度《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2主要内容TCP的流量控制与拥塞控制TCP的重传机制TCP的选项TCP的有限状态机《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2TCP的重传机制重传机制是TCP中最重要和最复杂的问题之一。TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2往返时延的方差很大由于TCP的下层是一个互连网环境，IP数据报所选择的路由变化很大。因而运输层的往返时延的方差也很大。时间数据链路层运输层T1T2T3往返时延的概率分布《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2

往返时延的自适应算法记录每一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认报文段的时间。这两个时间之差就是报文段的往返时延。将各个报文段的往返时延样本加权平均，就得出报文段的平均往返时延

RTT。每测量到一个新的往返时延样本，就按下式重新计算一次平均往返时延RTT：平均往返时延RTT

(旧的RTT)

(1

)

(新的往返时延样本)在上式中，0

1。

《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2参数

的选择若

很接近于1，表示新算出的平均往返时延RTT和原来的值相比变化不大，而新的往返时延样本的影响不大(RTT值更新较慢)。若选择

接近于零，则表示加权计算的平均往返时延RTT受新的往返时延样本的影响较大(RTT值更新较快)。典型的

值为7/8。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2超时重传时间RTO

(RetransmissionTime-Out)

计时器的RTO应略大于上面得出的RTT，即：RTO

RTT(7-3)这里

是个大于1的系数。若取

很接近于1，发送端可及时地重传丢失的报文段，因此效率得到提高。但若报文段并未丢失而仅仅是增加了一点时延，那么过早地重传反而会加重网络的负担。因此TCP原先的标准推荐将

值取为2。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2往返时延RTT?往返时间的测量相当复杂TCP报文段1没有收到确认。重传（即报文段2）后，收到了确认报文段ACK。如何判定此确认报文段是对原来的报文段1的确认，还是对重传的报文段2的确认？发送一个TCP报文段超时重传TCP报文段收到ACK时间12往返时延RTT?是对哪一个报文段的确认？《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2Karn算法在计算平均往返时延RTT时，只要报文段重传了，就不采用其往返时延样本。这样得出的平均往返时延RTT和重传时间就较准确。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2修正的Karn算法报文段每重传一次，就将重传时间增大一些：新的重传时间

(旧的重传时间)(7-4)系数

的典型值是2。当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时延更新平均往返时延RTT和重传时间的数值。实践证明，这种策略较为合理。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2主要内容TCP的流量控制与拥塞控制TCP的重传机制TCP的选项TCP的有限状态机《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2选项之一：正常的选项末尾TCP首部的尺寸应是4字节的整数倍当发送方不具有正好填满4字节字的正常的选项时，可以使用此选项指示在TCP分组中选项的末尾，它被用来指示接收方停止在TCP首部的剩余部分继续搜索除它之外的选项《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2选项之二：无操作它一方面指示接收方对此字节不予理会，一方面指示接收方继续处理选项域。利用无操作选项（也称作noop选项）使TCP能够将接在其后的选项与适当的字边界对齐。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2选项之三：MSS此选项只在准备建立连接时使用，表示接收方能接收的最大分组的尺寸（单位是字节，不包括TCP首部，只是数据部分的尺寸）。TCP连接的二个端点可以自由地指定各自的最大报文段长度。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2选项之四：窗口比例窗口比例给出了窗口域的倍率。当无窗口比例时，窗口域以字节为单位表示。因窗口域仅有16比特。如果没有此选项，TCP就不能指定超过65535字节的窗口。在高速网络及时延很大的网络中，该窗口尺寸使通信性能受到严重的影响东京－纽约之间在光纤中以光速传送TCP分组。光纤链路是拥有2.4Gb/s带宽的高速OC-48链路。东京的工作站从送出某个TCP分组的瞬间起到收到接收确认为止至少需要100毫秒。在65535字节的窗口尺寸下，该连接上最大的吞吐量是每100毫秒65535字节，约为5.2Mb/s的带宽。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2选项之四：窗口比例（续）窗口比例选项提供了克服这种限制的方法。此比例选项只出现在连接的请求分组和应答分组中。此时，两个系统应同意使用该选项。当在某个连接中使用此选项时，应将TCP分组的窗口尺寸域乘以2的幂。表示成2的多少次幂的具体数值由移位计数来确定（将2进制向左移n位，就等于将该值乘以2n）。《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2主要内容TCP的流量控制与拥塞控制TCP的重传机制TCP的选项TCP的有限状态机《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2TCP

的

有

限

状

态

机CLOSEDESTABLISHEDLISTENCLOSE_WAITFIN_WAIT_1SYN_RCVDFIN_WAIT_2CLOSINGTIME_WAITSYN_SENTLAST_ACK主动打开被动打开被动关闭主动关闭起点被动打开主动打开发送SYN同时打开收到SYN，发送SYN,ACK收到ACK数据传送阶段关闭发送FIN关闭发送FIN关闭发送FIN收到RST收到SYN发送SYN,ACK关闭或超时收到ACK收到SYN,ACK发送ACK收到ACK收到ACK收到FIN发送ACK收到FIN,ACK发送ACK收到FIN发送ACK同时关闭收到FIN发送ACK发送SYN定时经过两倍报文段寿命后关闭《TCP/IP网络原理与应用》之TCP协议介绍2TCP的正常的连接建立和关闭SYN,SEQ=x客户进程服务器进程LISTEN（被动打开）(主动打开)SYN_SENTSYN_RCVDESTABLISHEDESTABLISHED(主动关闭)FIN_WAIT_1CLOSE_WAIT(被动关闭)FIN_WAIT_2LAST_ACKTIME_WAITCLOSED（全双工数据传送阶段）SYN,ACK,SEQ=y,ACK=x+1ACK,SEQ=x+1,ACK=y+1FIN,SEQ=uACK,SEQ=v,ACK=u+1FIN,ACK,SEQ=v,ACK=u