【计算机网络】TCP协议特点3

心跳机制

什么是心跳机制

心跳机制是在计算机系统、网络通信和许多其他技术领域广泛应用的一种机制，用于检测两个实体之间的连接是否仍然活跃，或者设备是否还在正常运行。就是每隔一段时间发送一个固定的消息给服务端，服务端回复一个固定消息，如果服务端一段时间没有收到固定消息就自动断开连接

心跳机制有什么用

在长连接下可能很长时间都没有数据往来，理论上说这个连接是一直保持连接得但实际情况会因为什么故障什么的难以维持连接，在这个时候我们要知道需要心跳包的 用于保持长时间连接和保活

心跳机制怎么实现

1 应用层自己的心跳包

2 使用SO_KEEPALIVE 套接字选项

3 在一些硬件设备中，例如网络路由器，会有专门的芯片和电路来实现心跳机制

拥塞控制

算机网络领域中用于管理和防止网络拥塞的一系列机制

为什么要拥塞控制

1 网络中的链路容量和交换结点的缓存机制和处理机制都有工作极限当网络需求超过它的工作极限时候就会出现拥塞

2 在网络拥塞时候如果继续发送大量数据包肯会导致数据包时延丢失等

3 这是TCP就会重传数据但是这一重传会导致网络负担更重于是导致更大时延以及更多丢包这个情况会导致恶性循环不断放大

控制方法和触发机制

慢开始（Slow - Start）
- 原理：在连接建立初期，发送方会以一个较小的拥塞窗口开始发送数据，这个窗口大小通常初始化为 1 个或几个最大报文段长度（MSS）。然后，每次收到接收方的确认（ACK），拥塞窗口就会成倍增加。
- 目的：通过这种方式，发送方可以快速探测网络的可用带宽，同时避免一开始就向网络中注入过多的数据包而导致拥塞。
拥塞避免（Congestion Avoidance）
- 原理：当拥塞窗口增长到一定程度后，发送方进入拥塞避免阶段。在这个阶段，拥塞窗口不再成倍增长，而是每次收到一个 ACK 后，cwnd 增加 1MSS。这类似于在发现事情进展比较顺利后，开始放慢扩张的速度，更加谨慎地前进，以防止过度扩张导致问题。
- 目的：这种线性增长方式可以使发送方更加平稳地利用网络带宽，避免过快地占用网络资源而引发拥塞。
快速重传（Fast Retransmit）
- 原理：当接收方收到乱序的数据包时，会立即发送重复的 ACK，告知发送方期望收到的数据包序列号。如果发送方收到三个或更多连续的重复 ACK，就会认为相应的数据包丢失了，然后立即重传该数据包，而不需要等待超时定时器（RTO）到期。
- 目的：这种机制可以快速恢复丢失的数据包，减少数据传输的延迟，因为等待 RTO 到期的时间通常比收到三个重复 ACK 的时间长。
快速恢复（Fast Recovery）
- 原理：在快速重传之后，发送方会进入快速恢复阶段。此时，发送方会将拥塞窗口减半（cwnd = cwnd/2），同时将慢启动阈值设置为当前拥塞窗口的值。
- 目的：快速恢复机制使得发送方可以在数据包丢失后，尽快地调整发送策略，恢复数据传输，同时避免过度降低发送速率，以保持网络的利用率。

实现方式

端到端（End - to - End）拥塞控制

这是一种在传输层（如 TCP 协议）实现的拥塞控制方式。发送端根据从接收端反馈的信息（如 ACK）来调整发送策略。

网络辅助（Network - Assisted）拥塞控制

这种方式是由网络中的路由器等设备参与拥塞控制。路由器可以监测经过它的数据包流量，当发现拥塞迹象时，向发送端发送拥塞反馈信息。

Nagle算法

为了发送大数据块避免网络拥塞许多小数据块

什么是Nagle算法

Nagle 算法是一种用于网络拥塞控制的算法，主要应用在 TCP 协议中。它的目的是减少网络中因频繁发送小数据包而导致的带宽浪费和网络拥塞

运输相同数量的人利用出租车和大客车大客车数量少更不容易造成拥堵

所以再传输数据时候利用路由器再每个包里存放数量越大包个数越少传递速度越快

Nalge算法也是TCP发送端产生粘包问题主要原因

算法规则

1 如果包长度达到mss(最大报文长度)则允许发送

2 如果该包含FIN则允许发送

3 设置TCP_NODELAY选项允许发送

4 未设置TCP_CORK选项（网络比较通畅）时则所有发送出去的最小数据包小于mss长度

5 上述条件都未满足时候但发生超时（一般200ms）则立即发送

Nagle算法是默认打开的

Nagle算法是默认打开的如果对应一些需要小数据包交互场景程序比如talent ssh这样交互性比较强的程序则需要关闭Nagle算法

TCP特有功能

1 RTT 往返时延

往返时延（RTT）是指从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（ACK）所经历的时间。它是网络>计算机网络性能评估中的一个重要指标

RTT决定三部分
1 链路传播时间
2 末端系统处理时间
3 路由器缓存和排队时间和处理时间

2 RTO 超时重传

RTO即超时重传时间，是指在 TCP（协议中，发送端在发送数据后等待接收端确认（ACK）的最长时间。如果在这个时间内没有收到 ACK，发送端就会认为数据包丢失，从而进行重传。这是一种保障数据可靠传输的机制

TCP发送一个报文段就对此报文段设置一个超时重传计时器这个计时器设置超时重传时间应当略大于TCP报文段平均往返时延PTO=2RTT

影响因素

网络拥塞程度：当网络拥塞严重时，数据包的传输延迟会增加，往返时延（RTT）也会随之增大。

链路质量和稳定性：链路的质量差（如信号干扰大、带宽不足等）或者稳定性差（如频繁断连）会影响 RTT 的测量，从而影响 RTO 的计算。

接收端和发送端的处理能力：如果接收端或发送端的处理速度慢，例如接收端处理数据包的速度跟不上接收速度，可能会导致 ACK 返回延迟，使得发送端误认为数据包丢失而触发 RTO。

可以根据实时情况调整RTO

3 累计应答

1 累计几个data包一起回复ack效率高
2 累计几个和滑动窗口TCP有关
3 ack=4001代表seq=4000之前数据都接收成功

优点

减少网络开销：通过累计应答，可以减少确认消息的数量。如果对每个数据包都单独发送确认，在网络中会产生大量的确认消息，占用网络带宽和设备资源。而累计应答机制使得确认消息的数量与按序接收的数据包组数量相对应，有效降低了网络中的信令开销。

提高确认效率：这种机制与发送方的发送策略（如滑动窗口机制）配合良好。发送方可以根据累计确认来判断接收方的接收情况，快速了解哪些数据包已经被成功接收，哪些可能丢失或延迟。

4 滑动窗口

滑动窗口（Sliding Window）是一种流量控制和可靠传输的机制，主要应用于传输协议（如 TCP 协议）中。它允许发送方在未收到接收方确认的情况下，连续发送多个数据包，这些数据包的数量由窗口大小决定。
可以将滑动窗口想象成一个有固定容量的管道。发送方在这个管道中填充数据包发送给接收方，接收方从管道的另一端接收数据包并进行处理。窗口大小就代表了这个管道的容量，它决定了发送方一次最多能发送多少个数据包。

优点

流量控制：通过接收方窗口大小的反馈，滑动窗口机制能够有效地控制发送方的发送速率，使其与接收方的接收能力相匹配。这样可以避免接收方因为来不及处理过多的数据包而导致数据丢失或性能下降。
提高传输效率：与逐个发送数据包并等待确认的方式相比，滑动窗口允许发送方在等待确认的同时发送多个数据包，大大提高了数据传输的效率。特别是在网络延迟较高的情况下，滑动窗口机制可以充分利用等待确认的时间来发送更多的数据包，减少了传输时间。
可靠传输：结合累计应答机制，滑动窗口能够确保数据的可靠传输。发送方可以根据接收方的确认消息准确地判断哪些数据包已经被成功接收，哪些需要重传。

有了窗口可以指定窗口大小。
窗口大小每到达最大限度等待应答，可以继续发送到数据最大值。