004 TCP/IP协议详解（二）

一、ping

ping可以说是ICMP的最著名的应用，是TCP/IP协议的一部分。利用“ping”命令可以检查网络是否连通，可以很好地帮助我们分析和判定网络故障。

例如：当我们某一个网站上不去的时候。通常会ping一下这个网站。ping会回显出一些有用的信息。一般的信息如下:

ping这个单词源自声纳定位，而这个程序的作用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请 求，受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。

ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。我们可以看到， ping给出来了传送的时间和TTL的数据。

IP数据报中的RR选项的一般格式如图 7 - 3所示。

code是一个字节，指明 IP选项的类型。对于 RR选项来说，它的值为7。 len是R R选项总字
节长度，在这种情况下为 39（尽管可以为 RR选项设置比最大长度小的长度，但是ping程序
总是提供 3 9字节的选项字段，最多可以记录 9个IP地址。由于 I P首部中留给选项的空间有限，
它一般情况都设置成最大长度）。
ptr称作指针字段。它是一个基于 1的指针，指向存放下一个 IP地址的位置。它的最小值为
4，指向存放第一个 I P地址的位置。随着每个 IP地址存入清单， ptr的值分别为 8， 12， 16，最
大到36。当记录下9个IP地址后， ptr的值为40，表示清单已满。
当路由器（根据定义应该是多穴的）在清单中记录 IP地址时，它应该记录哪个地址呢？
是入口地址还是出口地址？为此， RFC 791 [Postel 1981a]指定路由器记录出口 IP地址。

 

IP时间戳选项与记录路由选项类似。 I P时间戳选项的格式如图 7 - 7所示（请与图7 - 3进行比较）。 

 时间戳选项的代码为 0 x 4 4。其他两个字段 l e n和p t r与记录路由选项相同：选项的总长度
（一般为3 6或4 0）和指向下一个可用空间的指针（ 5， 9， 1 3等）。
接下来的两个字段是 4 bit的值： O F表示溢出字段， F L表示标志字段。时间戳选项的操作
根据标志字段来进行，如图 7 - 8所示。

二、Traceroute

Traceroute是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具，也是最便利的工具。

Traceroute的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主机的IP后，首先给目的主机发送一个TTL=1的UDP数据包，而经过的第一个路由器收到这个数据包以后，就自动把TTL减1，而TTL变为0以后，路由器就把这个包给抛弃了，并同时产生 一个主机不可达的ICMP数据报给主机。主机收到这个数据报以后再发一个TTL=2的UDP数据报给目的主机，然后刺激第二个路由器给主机发ICMP数据 报。如此往复直到到达目的主机。这样，traceroute就拿到了所有的路由器IP。

三、DNS

DNS（Domain Name System，域名系统），因特网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。通过主机名，最终得到该主机名对应的IP地址的过程叫做域名解析（或主机名解析）。DNS协议运行在UDP协议之上，使用端口号53。

四、TCP流量控制

如果发送方把数据发送得过快，接收方可能会来不及接收，这就会造成数据的丢失。

TCP流量控制主要是针对接收端的处理速度不如发送端发送速度快的问题，消除发送方使接收方缓存溢出的可能性。

TCP流量控制主要使用滑动窗口协议，滑动窗口是接受数据端使用的窗口大小，用来告诉发送端接收端的缓存大小，以此可以控制发送端发送数据的大小，从而达到流量

控制的目的。这个窗口大小就是我们一次传输几个数据。对所有数据帧按顺序赋予编号，发送方在发送过程中始终保持着一个发送窗口，只有落在发送窗口内的帧才允许被发送；

同时接收方也维持着一个接收窗口，只有落在接收窗口内的帧才允许接收。这样通过调整发送方窗口和接收方窗口的大小可以实现流量控制。

设A向B发送数据。在连接建立时，B告诉了A：“我的接收窗口是 rwnd = 400 ”(这里的 rwnd 表示 receiver window) 。因此，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。请注意，TCP的窗口单位是字节，不是报文段。假设每一个报文段为100字节长，而数据报文段序号的初始值设为1。大写ACK表示首部中的确认位ACK，小写ack表示确认字段的值ack。

从图中可以看出，B进行了三次流量控制。第一次把窗口减少到 rwnd = 300 ，第二次又减到了 rwnd = 100 ，最后减到 rwnd = 0 ，即不允许发送方再发送数据了。这种使发送方暂停发送的状态将持续到主机B重新发出一个新的窗口值为止。B向A发送的三个报文段都设置了 ACK = 1 ，只有在ACK=1时确认号字段才有意义。

TCP为每一个连接设有一个持续计时器(persistence timer)。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，就发送一个零窗口控测报文段（携1字节的数据），那么收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器

五、TCP拥塞控制

流量控制是通过接收方来控制流量的一种方式；而拥塞控制则是通过发送方来控制流量的一种方式。

TCP发送方可能因为IP网络的拥塞而被遏制，TCP拥塞控制就是为了解决这个问题（注意和TCP流量控制的区别）。

TCP拥塞控制的几种方法：慢启动，拥塞避免，快重传和快恢复。

这里先理解一个概念: 拥塞窗口

      拥塞窗口：发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。

      发送方的让自己的发送窗口=min(cwnd，接受端接收窗口大小）。说明: 发送方取拥塞窗口与滑动窗口的最小值作为发送的上限。

      发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少

注入到网络中的分组数。

下面将讨论拥塞窗口cwnd的大小是怎么变化的。

1、慢启动

TCP在连接过程的三次握手完成后，开始传数据，并不是一开始向网络通道中发送大量的数据包。因为假如网络出现问题，很多这样的大包会积攒在路由器上，很容易导致网

络中路由器缓存空间耗尽，从而发生拥塞。因此现在的TCP协议规定了，新建立的连接不能够一开始就发送大尺寸的数据包，而只能从一个小尺寸的包开始发送，在发送和数据被

对方确认的过程中去计算对方的接收速度，来逐步增加每次发送的数据量（最后到达一个稳定的值，进入高速传输阶段。相应的，慢启动过程中，TCP通道处在低速传输阶段），

以避免上述现象的发生。这个策略就是慢启动。

画个简单的图从原理上粗略描述一下

 

发送方维持一个拥塞窗口 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。

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

慢启动算法：
当主机开始发送数据时，如果立即所大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。
因此，较好的方法是 先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。

通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

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。不过“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。
另，慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况），然后再逐渐增大cwnd。

为了防止拥塞窗口cwnd增长过大引起网络拥塞，还需要设置一个慢开始门限ssthresh状态变量。慢开始门限ssthresh的用法如下：

• 当 cwnd < ssthresh 时，使用上述的慢开始算法。

• 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，也可使用拥塞控制避免算法。

慢启动为什么会对拷贝海量小文件的需求造成重大性能损失？

      举个简单的例子，我们对每个文件都采用独立的TCP连接来传输（循环使用scp拷贝就是这个例子的实际场景，很常见的用法）。那么工作过程应该是，每传输一个文件建立一个

连接，然后连接处于慢启动阶段，传输小文件，每个小文件几乎都处于独立连接的慢启动阶段被传输，这样传输过程所用的TCP包的总量就会增多。更细致的说一说这个事，如果在

慢启动过程中传输一个小文件，我们可能需要2至3个小包，而在一个已经完成慢启动的TCP通道中（TCP通道已进入在高速传输阶段），我们传输这个文件可能只需要1个大包。

网络拷贝文件的时间基本上全部消耗都在网络传输的过程中（发数据过去等对端ACK，ACK确认归来继续再发，这样的数据来回交互相比较本机的文件读写非常耗时间），撇开三次

握手和四次握手那些包，如果文件的数量足够大，这个总时间就会被放大到需求难以忍受的地步。

因此，在迁移海量小文件的需求下，我们不能使用“对每个文件都采用独立的TCP连接来传输（循环使用scp拷贝）“这样的策略，它会使每个文件的传输都处于在一个独立TCP的慢启

动阶段。

如何避免慢启动，进而提升性能？

       尽量把大量小文件放在一个TCP连接中排队传输。起初的一两个文件处于慢启动过程传输，后续的文件传输全部处于高速通道中传输，用这样的方式来减少发包的数

目，进而降低时间消耗。同样，实际上这种传输策略带来的性能提升的功劳不仅仅归于避免慢启动，事实上也避免了大量的3次握手和四次握手，这个对海量小文件传输的性能消耗

也非常致命。

2、拥塞避免

cwnd不能一直这样无限增长下去，一定需要某个限制。TCP使用了一个叫慢启动门限(ssthresh)的变量，一旦cwnd>=ssthresh（大多数TCP的实现，通常大小都是65536），慢

启动过程结束，拥塞避免阶段开始；

拥塞避免：cwnd的值不再指数级往上升，开始加法增加。此时当窗口中所有的报文段都被确认时，cwnd的大小加1，cwnd的值就随着RTT开始线性增加，这样就可以避免增长过

快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。(它逻辑很简单就是到一定值后,cwnd不在是指数增长,而是+1增长。这样显然慢多了）。

非ECN环境下的拥塞判断，发送方RTO超时，重传了一个报文段，它的逻辑如下：

      1）把ssthresh降低为cwnd值的一半。

      2）把cwnd重新设置为1。

      3）重新进入慢启动过程。

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。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

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。

如下图，用具体数值说明了上述拥塞控制的过程。现在发送窗口的大小和拥塞窗口一样大。

3、快重传

快重传
快重传算法首先要求接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认。

接收方收到了M1和M2后都分别发出了确认。现在假定接收方没有收到M3但接着收到了M4。

显然，接收方不能确认M4，因为M4是收到的失序报文段。根据 可靠传输原理，接收方可以什么都不做，也可以在适当时机发送一次对M2的确认。

但按照快重传算法的规定，接收方应及时发送对M2的重复确认，这样做可以让 发送方及早知道报文段M3没有到达接收方。发送方接着发送了M5和M6。接收方收到这两个报文后，也还要再次发出对M2的重复确认。这样，发送方共收到了 接收方的四个对M2的确认，其中后三个都是重复确认。

快重传算法还规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段M3，而不必 继续等待M3设置的重传计时器到期。

由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%。

3.1、超时重传机制

         一种是不回ack，死等3，当发送方发现收不到3的ack超时后，会重传3。一旦接收方收到3后，会ack 回 4——意味着3和4都收到了。

但是，这种方式会有比较严重的问题，那就是因为要死等3，所以会导致4和5即便已经收到了，而发送方也完全不知道发生了什么事，因为没有收到Ack，所以，发送方可能会

悲观地认为也丢了，所以有可能也会导致4和5的重传。

对此有两种选择：

① 一种是仅重传timeout的包。也就是第3份数据。

② 另一种是重传timeout后所有的数据，也就是第3，4，5这三份数据。

这两种方式有好也有不好。第一种会节省带宽，但是慢，第二种会快一点，但是会浪费带宽，也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout，timeout可能会很长。

3.2、快速重传机制

于是，TCP引入了一种叫Fast Retransmit的算法，不以时间驱动，而以数据驱动重传。也就是说，如果，包没有连续到达，就ack最后那个可能被丢了的包，如果发送方连续收到

3次相同的ack，就重传。Fast Retransmit的好处是不用等timeout了再重传,而是只是三次相同的ack就重传。

比如：如果发送方发出了1，2，3，4，5份数据，第一份先到送了，于是就ack回2，结果2因为某些原因没收到，3到达了，于是还是ack回2，后面的4和5都到了，但是还是ack回2

因为2还是没有收到，于是发送端收到了三个ack=2的确认，知道了2还没有到，于是就马上重转2。然后，接收端收到了2，此时因为3，4，5都收到了，于是ack回6。示意图如下

 

 Fast Retransmit只解决了一个问题，就是timeout的问题，它依然面临一个艰难的选择，就是重转之前的一个还是重装所有的问题。对于上面的示例来说，是重传#2呢还是重传

#2，#3，#4，#5呢？因为发送端并不清楚这连续的3个ack(2)是谁传回来的？也许发送端发了20份数据，是#6，#10，#20传来的呢。这样，发送端很有可能要重传从#2到

#20的这堆数据（这就是某些TCP的实际的实现）。可见，这是一把双刃剑。

4、快恢复

与快重传配合使用的还有快恢复算法，其过程有以下两个要点：

• 当发送方连续收到三个重复确认，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半。

• 与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法（即拥塞窗口cwnd现在不设置为1），而是把cwnd值设置为 慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”），使拥塞窗口缓慢地线性增大。

六、参考资料

1、https://www.sohu.com/a/339068354_774177

2、https://blog.csdn.net/u014590757/article/details/80035115

3、TCP/IP详解卷1：协议