知方号

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TCP

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你是一台电脑,你的名字叫 A 图片 经过《你管这破玩意儿叫网络?》这篇文章中的一番折腾,只要你知道另一位伙伴 B 的 IP 地址,且你们之间的网络是通的,无论多远,你都可以将一个数据包发送给你的伙伴 B

这就是物理层、数据链路层、网络层这三层所做的事情。 站在第四层的你,就可以不要脸地利用下三层所做的铺垫,随心所欲地发送数据,而不必担心找不到对方了。 虽然你此时还什么都没干,但你还是给自己这一层起了个响亮的名字,叫做传输层。 你本以为自己所在的第四层万事大吉,啥事没有,但很快问题就接踵而至。 问题来了

前三层协议只能把数据包从一个主机搬到另外一台主机,但是,到了目的地以后,数据包具体交给哪个程序(进程)呢? 图片 所以,你需要把通信的进程区分开来,于是就给每个进程分配一个数字编号,你给它起了一个响亮的名字:端口号。 图片 然后你在要发送的数据包上,增加了传输层的头部,源端口号与目标端口号。 图片 OK,这样你将原本主机到主机的通信,升级为了进程和进程之间的通信。 你没有意识到,你不知不觉实现了 UDP 协议! (当然 UDP 协议中不光有源端口和目标端口,还有数据包长度和校验值,我们暂且略过) 就这样,你用 UDP 协议无忧无虑地同 B 进行着通信,一直没发生什么问题。

但很快,你发现事情变得非常复杂…

丢包问题

由于网络的不可靠,数据包可能在半路丢失,而 A 和 B 却无法察觉。

对于丢包问题,只要解决两个事就好了。 第一个,A 怎么知道包丢了? 答案:让 B 告诉 A 第二个,丢了的包怎么办? 答案:重传 于是你设计了如下方案,A 每发一个包,都必须收到来自 B 的确认(ACK),再发下一个,否则在一定时间内没有收到确认,就重传这个包。 图片 你管它叫停止等待协议。只要按照这个协议来,虽然 A 无法保证 B 一定能收到包,但 A 能够确认 B 是否收到了包,收不到就重试,尽最大努力让这个通信过程变得可靠,于是你们现在的通信过程又有了一个新的特征,可靠交付。

效率问题

停止等待虽然能解决问题,但是效率太低了,A 原本可以在发完第一个数据包之后立刻开始发第二个数据包,但由于停止等待协议,A 必须等数据包到达了 B ,且 B 的 ACK 包又回到了 A,才可以继续发第二个数据包,这效率慢得可不是一点两点。 于是你对这个过程进行了改进,采用流水线的方式,不再傻傻地等。

顺序问题

但是网路是复杂的、不可靠的。 有的时候 A 发出去的数据包,分别走了不同的路由到达 B,可能无法保证和发送数据包时一样的顺序。

在流水线中有多个数据包和ACK包在乱序流动,他们之间对应关系就乱掉了。 难道还回到停止等待协议?A 每收到一个包的确认(ACK)再发下一个包,那就根本不存在顺序问题。应该有更好的办法! A 在发送的数据包中增加一个序号(seq),同时 B 要在 ACK 包上增加一个确认号(ack),这样不但解决了停止等待协议的效率问题,也通过这样标序号的方式解决了顺序问题。 图片 而 B 这个确认号意味深长:比如 B 发了一个确认号为 ack = 3,它不仅仅表示 A 发送的序号为 2 的包收到了,还表示 2 之前的数据包都收到了。这种方式叫累计确认或累计应答。 图片 注意,实际上 ack 的号是收到的最后一个数据包的序号 seq + 1,也就是告诉对方下一个应该发的序号是多少。但图中为了便于理解,ack 就表示收到的那个序号,不必纠结。

流量问题

有的时候,A 发送数据包的速度太快,而 B 的接收能力不够,但 B 却没有告知 A 这个情况。

怎么解决呢? 很简单,B 告诉 A 自己的接收能力,A 根据 B 的接收能力,相应控制自己的发送速率,就好了。 B 怎么告诉 A 呢?B 跟 A 说"我很强"这三个字么?那肯定不行,得有一个严谨的规范。 于是 B 决定,每次发送数据包给 A 时,顺带传过来一个值,叫窗口大小(win),这个值就表示 B 的接收能力。同理,每次 A 给 B 发包时也带上自己的窗口大小,表示 A 的接收能力。

B 告诉了 A 自己的窗口大小值,A 怎么利用它去做 A 这边发包的流量控制呢? 很简单,假如 B 给 A 传过来的窗口大小 win = 5,那 A 根据这个值,把自己要发送的数据分成这么几类。 图片 图片过于清晰,就不再文字解释了。 当 A 不断发送数据包时,已发送的最后一个序号就往右移动,直到碰到了窗口的上边界,此时 A 就无法继续发包,达到了流量控制。 图片 但是当 A 不断发包的同时,A 也会收到来自 B 的确认包,此时整个窗口会往右移动,因此上边界也往右移动,A 就能发

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