网络编程运输层TCP/UDP面试知识点(下)

简介: 网络编程运输层TCP/UDP面试知识点

6 TCP 的流量控制

6.1 利用滑动窗口实现流量控制

一般我们总希望数据传输得更快一些.但如果发送方把数据发送得过快,接收方就可能来不及接收,这就会造成数据的丢失

流量控制(flow control)就是让发送方的发送速率不要太快,既要让接收方来得及接收,也不要使网络发生拥塞

利用滑动窗口机制可以很方便地在 TCP 连接上实现流量控制

  • TCP 在发送数据时,发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口的数值
    TCP窗口的单位是字节
  • 当接收方接收数据的速度变慢时,就在确认报文中告诉发送方接收窗口的大小
    发送方根据接收窗口的大小确认发送窗口的大小,从而达到控制流量
  • image.png
  • 持续计时器(persistence timer)


TCP 为每一个连接设有一个持续计时器

只要 TCP 连接的一方收到对方的零窗口通知,就启动持续计时器

若持续计时器设置的时间到期,就发送一个零窗口探测报文段(仅携带 1 字节的数据),而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值

  • 若窗口仍是零,则收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。
  • 若窗口不是零,则死锁的僵局就可以打破了

6.2 传输效率

可以用不同的机制来控制 TCP 报文段的发送时机


TCP 维持一个变量,等于最大报文段长度(MSS)

只要缓存中存放的数据达到MSS 字节,就组装成一个 TCP 报文段发送出去

由发送方的应用进程指明要求发送报文段

即 TCP 支持的推送(push)操作

发送方的一个计时器期限到了,这时就把当前已有的缓存数据装入报文段(但长度不能超过 MSS)发送出去

7 TCP的拥塞控制

7.1 原理

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)

  • 出现拥塞的条件
    对资源需求 > 可用资源
  • 若网络中有许多资源同时产生拥塞,网络性能就会明显变坏,整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降

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
  • 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
  • 在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制
  • 抑制发送端发数据的速率,以便使接收端来得及接收
  • 拥塞控制所起的作用
  • image.png

7.2 拥塞控制的一般原理

拥塞控制是很难设计的,因为它是一个动态的问题

当前网络正朝着高速化的方向发展,这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。

在许多情况下,甚至正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。这点应特别引起重视

7.3 开环控制和闭环控制

  • 开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到,力求网络在工作时不产生拥塞
  • 闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的有以下几种措施
  • 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。
  • 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。
  • 调整网络系统的运行以解决出现的问题。

7.4 拥塞控制方法

慢开始和拥塞避免

  • 发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd (congestion window)的状态变量
    拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度,并且动态地在变化
    发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口

     如再考虑到接收方的接收能力,则发送窗口还可能小于拥塞窗口

  • 发送方控制拥塞窗口的原则
  • 网络没有出现拥塞,拥塞窗口就再增大一些,以便把更多的分组发送出去
  • 网络出现拥塞,拥塞窗口就减小一些,以减少注入到网络中的分组数

慢开始算法的原理

  • 在主机刚刚开始发送报文段时可先设置拥塞窗口 cwnd = 1,即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,将拥塞窗口加 1,即增加一个 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
  • 发送方每收到一个对新报文段的确认(重传的不算在内)就使 cwnd 加 1
  • image.png

传输轮次(transmission round)

  • 使用慢开始算法后,每经过一个传输轮次,拥塞窗口 cwnd 就加倍
  • 一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间 RTT
  • “传输轮次”更加强调:把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的报文段都连续发送出去,并收到了对已发送的最后一个字节的确认
  • 例如,拥塞窗口 cwnd = 4,这时的往返时间 RTT 就是发送方连续发送 4 个报文段,并收到这 4 个报文段的确认,总共经历的时间

设置慢开始门限状态变量ssthresh

  • 当 cwnd < ssthresh 时,使用慢开始算法。
  • 当 cwnd > ssthresh 时,停止使用慢开始算法而改用拥塞避免算法。
  • 当 cwnd = ssthresh 时,既可使用慢开始算法,也可使用拥塞避免算法。
  • 拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口 cwnd 缓慢地增大,即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1,而不是加倍,使拥塞窗口 cwnd 按线性规律缓慢增长

当网络出现拥塞时

  • 无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞(其根据就是没有按时收到确认),就要把慢开始门限 ssthresh 设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半(但不能小于2)
  • 然后把拥塞窗口 cwnd 重新设置为 1,执行慢开始算法
  • 这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数,使得发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕

2.1.5 乘法减小(multiplicative decrease)

  • 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

2.1.6 加法增大(additive increase)

执行拥塞避免算法后,在收到对所有报文段的确认后(即经过一个往返时间),就把拥塞窗口 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。


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