通訊網路的小論文

通訊網路的小論文

　　TCP傳輸的可靠性

　　【摘要】：傳輸控制協議（TCP）是為了在不可靠的網際網路上提供一個可靠的端到端的、面向位元組流連線而設計的，它為IP服務增加了面向連線和可靠性的特點。TCP提供了傳輸層幾乎所有的功能，保證資料傳送可靠、按序、無丟失和無重複。

　　【關鍵詞】：面向連線 端到端 位元組流 可靠性

　　【Abstract】：Transmission control protocol (TCP) is designed for providing a reliable end-to-end,connected with the byte stream oriented for the unreliable Internet.It adds the characteristics of connection-oriented and reliability for IP service.TCP provides nearly all of the transport layer functions, to ensure reliable data transmission, sequential, no loss and no repeat.

　　【Key Words】：Connection-oriented end-to-end byte stream reliability

　　一、引言

　　UDP是一個簡單的協議，是實現最低傳輸要求的傳輸層協議。但是對於大多數Internet應用，更需要可靠、按序遞交的傳輸層協議。TCP協議具有面向連線和可靠性的特點，它使用埠號來完成程序到程序的通訊。TCP為應用層提供全雙工服務，所有連線都是點到點的。目前許多流行應用程式都採用了TCP，如Telnet、FTP、SMTP等，而這些應用通常是使用者程序。

　　二、TCP的連線管理與釋放

　　TCP是面向連線的傳輸層協議。在每一次資料傳輸之前首先要在通訊雙方建立一條連線，即在源程序和目的程序之間建立一條虛路徑。透過兩個過程完成：建立連線和釋放連線。

　　1、建立連線

　　TCP以全雙工方式傳送資料。在任何資料傳送之前，要使每一方能確知對方的存在。

　　TCP協議中建立連線採用三次握手（three-way handshake）的方式實現。

　　2、連線釋放

　　由於TCP連線是全雙工的，因此每個方向都必須單獨進行關閉。這原則是當一方完成它的資料傳送任務後就能傳送一個FIN來終止這個方向的連線。收到一個 FIN只意味著這一方向上沒有資料流動，一個TCP連線在收到一個FIN後仍能傳送資料。首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方執行被動關閉。

　　TCP連線釋放需要4次握手。

　　三、流量控制

　　TCP採用可變大小的滑動視窗協議進行流量控制。TCP連線的每一方都有固定大小的緩衝空間用來暫存從應用程式傳遞來並準備傳送的資料。滑動協議視窗協議定義了在快取上的一個視窗。TCP傳送資料的大小由視窗定義。雙方為每個連線各使用一個視窗。

　　在TCP報文段首部的視窗大小欄位的值就是當前給對方設定的視窗值。 傳送視窗在連線時由雙方商定，在通訊過程中，接收方可根據自己資源情況，隨時動態調整。如果網路發生擁塞，實際視窗可能變小。

　　當視窗的大小為0時，傳送端不能再發送資料，但是有兩種例外情況：（1）緊急資料可以傳送；（2）傳送方想讓接收方重新宣佈下一個期望的位元組和視窗大小，則可以傳送一個位元組的資料段。

　　四、差錯控制

　　TCP差錯控制包括檢測受到損傷的報文段、丟失的報文段、失序的報文段和重複的報文段，以及檢測出差錯後糾正差錯，它除了使用檢驗和，還使用確認技術和超時機制。

　　1、丟失或受到損傷的報文段

　　TCP的每一個報文段都包括校驗和欄位，如果檢查出某個報文段受到損傷，則接收端TCP就丟棄這個報文段。TCP沒有否認機制，若某報文段在超時之前沒有被確認，則被認為受到損傷或已丟失，傳送端重傳這個報文段。

　　2、重複的報文段

　　當超時截止期到但還沒有收到確認報文時，傳送端就會重發這個報文段。在接收端，當它收到的'這個報文段序號與已接收到的另一個報文段序號相同時，那麼接收端簡單丟棄這個報文段。

　　3、失序的報文段

　　TCP報文段封裝在IP資料報中。每一個IP資料報進行獨立的路由選擇。TCP報文段可能失序到達。接收端TCP處理失序報文段的方法是不予確認，只有當被確認的位元組之前的所有資料都已經接收到，才傳送確認報文段。如果確認延遲了，在傳送端TCP的失序報文段的計時器截止期到，則重新發送這個報文段。重複的報文將被接收端TCP丟棄。

　　4、丟失確認

　　在TCP的確認機制中，使用累計確認系統。每一個確認報文段證實了一直到由確認號指明的位元組為止的所有位元組都已經收到。TCP傳送方使用超時機制來恢復報文段丟失問題。TCP使用累計確認系統。

　　五、定時器管理

　　1、重傳定時器

　　為了實現TCP協議，對每個連線TCP管理4個不同的定時器。重傳定時器是用於處理重傳時間的。重傳時間是指等待某個報文段確認的時間。重傳時間的確定與TCP連線的往返時間RTT有關。重傳時間可基於往返時間實現動態化調整。TCP不能對所有連線使用相同的重傳時間。如重傳時間太短，會導致對正在傳輸途中報文段的重傳，增加網路負荷。如設定太長，一旦分組丟失，會使網路傳輸效率降低。TCP採用動態重傳時間策略。

　　TCP每傳送一個報文段後就啟動重傳定時器。如果在定時器超時前收到確認報文，定時器被停止。如果超時還沒有收到確認報文，則報文重傳，定時器復位。用於下一個報文段重傳時間計算的RTT值修正：

　　RTT=α×(前一個RTT)＋(1－ α) ×(當前的RTT)α：修正因子（0 ≤ α < 1）

　　Karn修正演算法：重傳時間＝βRTT

　　Karn提出的解決方法是：當一個超時和重傳發生時，在重傳資料段的確認報文最後到達前，不更新RTT，且每重傳一次，超時時間加倍。決定了以前估計的RTT所佔的權重。每次進行新測量時，RTT將得到更新。每個新RTT的90%來自前一個RTT，10%取自當前。

　　2、持續定時器

　　為了防止死鎖情況發生，TCP對每一個連線使用一個持續定時器，當傳送端TCP收到視窗大小為0的確認報文段時就啟動它。如果持續定時器超時，傳送端就給接收端傳送一個只有一個位元組資料的探測報文段。接收端對探測報文段的響應必須重傳確認報文段，以將視窗大小告訴傳送方。如果視窗大小非0，就可以傳送資料了；如果還為0，則持續定時器再次設定，直至收到視窗大小非0的確認報文。

　　3、保活定時器

　　保活定時器用來防止一個連線較長時期的空閒。保活功能就是試圖讓伺服器端能檢測到這種半開放的連線。在大多數的實現中，都是為伺服器設定保活計時器。 每當伺服器收到客戶端的資訊，將定時器復位。超時常設為2h。如在連線空閒2h後，伺服器傳送探測報文段，檢視客戶端是否仍存在。保活功能主要為伺服器應用程序提供，伺服器可以獲知客戶是否崩潰、關機或重啟了。

　　4、時間等待定時器

　　每個連線使用的最後一個定時器是時間等待定時器。在關閉連線時該連線處於Timed_Wait狀態中。時間等待定時器的值通常設定為一個報文段預計的最大生存時間的兩倍。

　　六、結語

　　綜上所述，TCP透過下列方式來提供可靠性：

　　1、應用資料被分割成TCP認為最適合傳送的資料塊。這和UDP完全不同，應用程式產生的資料報長度將保持不變。

　　2、當TCP發出一個段後，它啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發這個報文段。

　　3、當TCP收到發自TCP連線另一端的資料，它將傳送一個確認。這個確認不是立即傳送，通常將推遲幾分之一秒 。

　　4、 TCP將保持它首部和資料的檢驗和。這是一個端到端的檢驗和，目的是檢測資料在傳輸過程中的任何變化。如果收到段的檢驗和有差錯，TCP將丟棄這個報文段和不確認收到此報文段。

　　5、既然TCP報文段作為IP資料報來傳輸，而IP資料報的到達可能會失序，因此TCP報文段的到達也可能會失序。如果必要，TCP將對收到的資料進行重新排序，將收到的資料以正確的順序交給應用層。

　　6、既然IP資料報會發生重複，TCP的接收端必須丟棄重複的資料。

　　7、TCP還能提供流量控制。TCP使用的流量控制協議是可變大小的滑動視窗協議。