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

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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。