DJ3-4 传输层（第四节课）

目录

一、TCP 概述

二、TCP 报文段的首部字段格式

三、TCP 往返时延的估计和超时

1. 估计往返时间

2. RTT 估计例子

3. 估计往返时间的偏差

4. 设置重传超时间隔

一、TCP 概述

全双工服务：允许在同一时间同一连接上，数据能够双向传输。注意：TCP 可从缓存中取出并放入报文段中的数据数量受限于最大报文段长度（maximum segment size, MSS）

点到点：一个发送者，一个接收者；可靠按序的字节流。

面向连接：在数据交换前握手（交换控制信息），初始化发送方和接收方的状态。

没有 “信息边界”：假设我们需要发三个数据包，TCP 可能会因受限于 MSS 而把这三个包截断并组合后再发出。而 UDP 不会这样做，首先 UDP 会限制分组的大小从而使其适合发送，其次分组之间是相互独立的。因此，在 UDP 传输中不会出现把数据包截断的情况。

流量控制：使发送方不会淹没接收方。

TCP 拥塞和流量控制：

• 设置窗口大小
• 设置收发缓冲区

二、TCP 报文段的首部字段格式

TCP 报文段的构成：

• 首部字段
• 一个数据字段，包含了一块应用数据

MSS 限制了报文段数据字段的最大长度。

1. 源端口号和目的端口号

用于多路复用/分解来自或送到上层应用的数据。注意：发送时是多路复用，接收时是多路分解。

2. 序号和确认号

1）序号

序号 = 该报文段的第一个字节在字节流中的位置编号

一条 TCP 连接的双方均可随机地选择初始序号。

TCP 采用的是可靠按序的字节流：序号是建立在传送的字节流之上，而不是建立在传送的报文段的序列之上。换句话说，TCP 是以字节为单位来编号的，而不是以报文段为单位来编号。

2）确认号

主机 A 填充进报文段的确认号是主机 A 期望从主机 B 收到的下一字节的序号。换句话说，就是期望从主机 B 收到的下一报文段的序号。

由于每次都传输的是一个字节的数据，因此序号每次只加一。

3）累积确认

TCP 只确认字节流中至第一个丢失字节为止的字节。

主机 A 接收到来自主机 B 的包含字节 0~535 的报文段、字节 900~1000 的报文段，还没有接收到来自主机 B 的包含字节 536~899 的报文段。因此，主机 A 将在下一个发送给主机 B 的报文段中，把确认号字段设置为 536 。

3. 数据偏移/首部长度

该字段指示了以 32bit 为单位（即以 4 字节为单位）的 TCP 首部长度，即 TCP 报文段数据字段的起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。

4. 保留字段

占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。

5. 标志字段

3）紧急 URG（URGent）

当 URG=1 时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据）。紧急数据放在该报文段数据字段的最前面。

4）确认 ACK（ACKnowledgment）

只有当 ACK=1 时确认号字段的内容才有效；当 ACK=0 时，确认号字段的内容无效。

6）复位 RST（ReSeT）

当 RST=1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如主机崩溃或其它原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

7）同步 SYN（SYNchronize）

当 SYN=1 时，表示这是一个连接请求或连接接受报文。

8）终止 FIN（FINish）

用来释放一个连接。FIN=1 表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

6. 窗口字段

该字段用于流量控制。占 16 位，是让对方设置发送窗口的依据，单位为字节。

7. 检验和

占16 位，在计算检验和时，要在 TCP 报文段前加上 12 字节的伪首部。

• 伪首部
• 首部字段
• 数据字段

8. 紧急数据指针

占 16 位，指出在该报文段中紧急数据共有多少个字节，紧急数据放在该报文段数据字段的最前面。

9. 填充字段

该字段用于使整个首部长度是 4 字节的整数倍。

三、TCP 往返时延的估计和超时

Q：如何设置 TCP 的超时值?

A：显然需要比 RTT 长，但 RTT 是动态变化的，若时间

• 太短：导致不成熟的超时和不必要的重传
• 太长：导致对报文段丢失的响应慢

Q：需要设置几个定时器？

1. 估计往返时间

SampleRTT（样本RTT）：测量从报文段发出到收到该报文段的确认信息的时间。

• TCP 不会为重传的报文段计算 SampleRTT
• TCP 仅在某个时刻为某报文段做 SampleRTT 测量，而非每一个

SampleRTT 是变化的，因此需要一个 SampleRTT 的均值，即 EstimatedRTT（均值RTT）

对收到的 SampleRTT 根据以下公式进行均值处理：

EstimatedRTT = (1 - α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT

以编程的思想来理解该公式：即每次按公式来更新 EstimatedRTT 的值。

上述均值计算被称为 “指数加权移动平均”，RFC 推荐的 α 取值是 α=0.125 。

2. RTT 估计例子

由图可知，通过计算得到的 EstimatedRTT，我们能够保证有一半的报文段避免不成熟的超时。但是，我们还想要更多的紫线上方的报文段能够避免不成熟的超时，因此引入了 “安全余量”。

3. 估计往返时间的偏差

DevRTT（偏差RTT）：用于估算 SampleRTT 一般会偏离 EstimatedRTT 的程度。

与前面类似，SampleRTT-EstimatedRTT 是变化的，因此需要一个 SampleRTT-EstimatedRTT 的均值，即 DevRTT（偏差RTT）

对收到的 SampleRTT-EstimatedRTT 根据以下公式进行均值处理： 

DevRTT = (1 - β) * DevRTT + β * |SampleRTT - EstimatedRTT|

RFC 推荐的 β 取值是 α=0.25 。 

4. 设置重传超时间隔

根据前面的分析可知，超时间隔应该等于 EstimtedRTT 加上 “安全余量” DevRTT，从而避免不成熟的超时。同时。若 EstimatedRTT 波动较大，则需要加上更大的 “安全余量”。

最终超时间隔的公式为：

TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT

实际应用：

#init
TimeoutInterval = 1
EstimatedRTT = SampleRTT
DevRTT = SampleRTT/2

#update
TimeoutInterval = EstimatedRTT + max(G, 4*DevRTT)  #G是用户设置的时间粒度
DevRTT = (1 - β) * DevRTT + β * |SampleRTT - EstimatedRTT|
EstimatedRTT = (1 - α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT

每次先更新 DevRTT 再更新 EstimatedRTT，否则 DevRTT 使用的就是不是上一次的 EstimatedRTT 了。