TCP协议学习笔记(二)
在上一篇文章中我们对TCP有了一个简单的了解，同时我们也知道了TCP是如何建立和关闭连接的，在这篇文章中我们将学习到TCP是如何进行数据传输的。
MSS
Maximum Transmission Unit (缩写MTU) 是指最大传输单元，对于以太网来说这个值是1500字节，也就是说以太网一次传输的报文不得大于1500，超过这个大小设备可能就会丢弃报文。IP可以对数据进行拆分，但是为了减小路由器的压力，TCP中会设置合理的数据报文大小以避免最终的报文大小超过MTU，这个大小叫做Maximum Segment Size (缩写MSS)，如果剔掉IP报文和TCP报文的头部，则一个TCP报文的MSS为 1500 - 20 - 20 = 1460。
使用ACK进行确认
在连接创建和关闭的时候我们已经知道了，TCP为了保证数据不丢失，会在收到报文后发送ACK来告知发送方自己已经收到了该数据。接收方根据发送方发送的seq来发送确认ACK，ACK代表了接收方接收到的数据内容，有时接收方会把多个seq的信息进行合并，也就是说有时候多次传输只会对应一次的ACK。
1 | 15:18:45.635203 IP 172.19.3.44.59480 > lin-21-3-92.5800: Flags [S], seq 586172531, win 65535, options [mss 1460,nop,wscale 6,nop,nop,TS val 1351103125 ecr 0,sackOK,eol], length 0 |
我们把上一篇文章的报文再拿过来观察一下，第4行为客户端向服务端发送HTTP请求报文的TCP segment，该报文的seq为586172532:586172612，代表了80个字节的数据。服务端在收到数据后返回ACK的seq为586172612，表示服务端已经收到了客户端seq至586172612的数据。
第6行第7行服务端连续发送了两个数据给客户端，第7行还附带了FIN标志，这在上一篇文章中我们已经说过了。第8行第9行分别是针对这两个数据报文的ACK。
滑动窗口
滑动窗口是接收方与发送方用来协商数据发送速度的一种方式，它也是实现TCP流量控制的手段，关于滑动窗口可以看我之前的文章TCP协议的流量控制与Linux内核的Scoket缓冲区，这里就不再赘述了。
超时重传
超时重传是TCP中的最重要的内容之一，这也是TCP对于数据可靠性保证的来源。关于超时重传我在文章一次网络超时的排查中也有所介绍，具体超时情况的分析可以参考之前的文章。
这里我们重点了解一下TCP中的超时时间是如何计算出来的。TCP中引入了Round Trip Time (简写RTT)来记录数据传输的往返时间，它的值为一个指定seq的报文被发送、到接收这个seq所对应的ACK所需要花费的时间。而Retransmission Timeout (简写RTO)则代表了TCP发送报文的超时时间，如果过了RTO时间还没能接收到指定报文的ACK，就触发超时对该报文进行重发。
不难发现RTO是根据RTT动态计算出来的，RTO的计算方式对于TCP的性能有重大影响。RTO过短会导致不应该被重传的数据被重传，增加整个网络中的数据传输压力，最终降低系统吞吐量；RTO过大会降低TCP数据的传输速度，影响传输性能。
在TCP的发展过程中，各种根据RTT计算RTO的公式被不断地发明出来，例如Jacobaon/Karels公式
第一次RTO计算：
SRTT = R
RTTVAR = R/2
RTO = SRTT + max (G, K*RTTVAR)
之后：
RTTVAR = (1 - beta) * RTTVAR + beta * |SRTT - R'|
SRTT = (1 - alpha) * SRTT + alpha * R'
RTO = SRTT + max (G, K*RTTVAR)
其中
- SRTT(smoothed round-trip time)：平滑RTT时间
- RTTVAR(round-trip time variation)：RTT变量，其实就是rtt平均偏差
- G表示系统时钟的粒度，一般很小，us级别。
- beta = 1/4, alpha = 1/8，R为RTT的值，K的值为4
需要注意的是上面我们介绍的是初次重传时的RTO，如果重传后还没能收到另一端的响应，下一次重传RTO会指数增加。例如第一次重传RTO是1，之后分别2，4，8，16，…。这种行为叫做指数回避策略，所以对于tcp来说，当丢包率高时，有可能一个包要很久才能送达。
拥塞控制
上文中提到的**流量控制(flow control)是一种针对接收端的极限而实现的速度限制机制，拥塞控制(congestion control)**则是针对网络链路中的路由器的极限而提出的速度限制机制。
链路中的丢包一般都是因为路由器的负载较高而产生的，如果路由器因为负载较高丢掉了一些报文，此时发送端会对数据进行重传，这进一步加重了路由器的压力，最终产生一个恶性循环。拥塞控制用于在面临网络拥塞时遏制发送方，拥塞控制对于提升整个互联网的吞吐量有着巨大的影响。
和流量控制类似，拥塞控制使用拥塞窗口(congestion window，简写cwnd)来限制发送速度，拥塞控制的核心在如何确定一个合理的cwnd。TCP的拥塞算法分为三步：慢启动，拥塞避免，快速恢复
慢启动
TCP在刚刚发送数据时会把MSS设置为一个较小的值，每当一次数据的成功ACK，cwnd的值就会增加一个MSS（切记MSS代表了一次发送报文的大小，而cwnd代表了报文的发送速率）。
慢启动的过程如下，它分为三种情况
- 数据发送发生超时，TCP将cwnd重置为1并且将cwnd的最大阈值ssthresh设置为发生超时时的cwnd的1/2，之后重新开始慢启动的过程
- 如果cwnd成功增加到了ssthresh的大小并且没有发生超时，则进入拥塞避免模式
- 如果检测到3个冗余ACK，这时TCP执行一种快速重传并进入快速恢复状态
拥塞避免
每次RTT只会给cwnd增加 MSS x (MSS / cwnd)，整个系统进入一个临时的稳定状态。一旦出现超时，则进入慢启动模式
快速恢复
- 对收到的每个冗余ACK，cwnd值增加一个MSS
- 如果丢失报文的ACK又被收到，降低cwnd进入拥塞避免状态
- 发生超时，进入慢启动
BBR拥塞控制算法
BBR是Google在2016年提出的一种拥塞控制算法，在Linux kernel4.9及以后的版本中已添加该算法。BBR比经典的TCP拥塞算法更加激进，关于BBR俺也不是特别了解，等以后有机会一定学习一下。
参考
TCP/IP详解 卷1：协议：第17章 ~ 第24章
TCP RTO计算方法以及go实现验证
TCP流量控制与拥塞控制