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【探索Linux】P.37(传输层 —— TCP协议通信机制 | 确认应答(ACK)机制 | 超时重传机制)
本文深入剖析了TCP协议中的确认应答(ACK)机制和超时重传机制,这两个关键特性共同确保了数据传输的可靠性。确认应答机制通过序列号的使用,确保了数据的有序接收和完整性,同时允许检测和指示丢包情况。而超时重传机制则通过设置超时计时器,对未被确认的数据段进行重传,以应对可能的传输失败。文章还探讨了快速重传和拥塞控制等优化措施,以及这些机制对网络性能和数据传输可靠性的影响。
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引言
在上一篇文章中,我们深入探讨了TCP协议的传输层,详细解析了TCP协议段的格式,包括它的头部结构和各字段的功能。通过这一过程,我们对TCP如何确保数据的可靠传输有了初步的了解。现在,让我们继续我们的探索之旅,进一步揭开TCP协议的神秘面纱,深入了解其通信机制。让我们一起走进TCP协议的通信世界,探索其背后的技术细节和实现原理。
一、确认应答(ACK)机制
TCP(传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在TCP中,确认应答(ACK)机制是确保数据可靠性的核心组成部分。
1. 成功接收
⭕当主机A向主机B发送数据时,一旦数据到达主机B,主机B将向主机A发送一个确认应答,以表明数据已被成功接收。下面是这一过程的详细步骤:
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数据发送:主机A将数据分割成TCP段,每个段都包含一个序列号,表示数据的顺序。
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发送数据段:主机A将这些TCP段发送到主机B。
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接收数据段:主机B接收到来自主机A的TCP段。
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生成ACK:主机B生成一个ACK段,其中包含一个确认应答号。这个确认应答号通常等于主机B期望接收的下一个TCP段的序列号。
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发送ACK:主机B将ACK段发送回主机A。
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确认接收:主机A接收到来自主机B的ACK后,知道之前发送的数据已经被成功接收。
2. 过程中存在丢包
在TCP协议中,数据的可靠传输依赖于接收端发送的确认应答(ACK)。发送端在数据发出后,会进入等待状态,以期收到接收端的确认信号。一旦接收到确认,即表示数据已安全到达目的地。相反,如果在指定的等待时间内未收到任何确认,发送端将推断数据可能未被成功接收,从而触发重发机制。
如果主机A发送的数据因网络拥堵等原因未能成功传输至主机B,导致数据丢失,主机A将无法接收到主机B的确认信号。在这种情况下,主机A会在设定的时间间隔内等待确认应答。若在这段时间内仍未收到任何确认,主机A将采取行动,重新发送丢失的数据。
即使发送端未收到确认应答,这并不一定表示数据包丢失。有时数据可能已经到达接收端,但确认信号在返回过程中丢失。这会导致发送端在未收到及时的ACK时,误判数据未成功传输,并因此重新发送数据。
当主机B向主机A发送的确认应答因网络问题在途中丢失,主机A将无法收到这一信号。主机A会设定一个等待期,如果在这段时间内没有收到确认应答,它将认为数据未被成功接收,并重新发送数据。与此同时,主机B在实际接收到数据后,如果再次收到相同的数据包,它将识别出这是一次重复传输,并不会再发送确认应答,以避免不必要的通信。
3. 引入序列号
为了解决上面的问题,确认应答(ACK)机制引入了序列号,它用于确保数据的有序传输和完整性。
(1)序列号的定义
序列号是TCP段中的一个重要字段,用于标识该段数据在字节流中的位置。每个TCP段的序列号都是唯一的,它从0开始,并且随着数据的发送而递增。
(2)序列号的作用
- 确保有序传输:序列号确保数据按照发送的顺序被接收方接收。接收方可以根据序列号将数据重新组装成原始的字节流。
- 允许数据重排:如果数据在传输过程中出现乱序,接收方可以根据序列号对数据进行重新排序。
- 检测丢失的数据:如果接收方收到的序列号不是期望的下一个序列号,它知道数据在传输过程中丢失了。
- 触发重传机制:发送方可以根据接收方的ACK报文中的确认号来确定哪些数据需要重传。
(3)序列号的工作原理
- 初始化序列号(ISN):当TCP连接建立时,发送方随机生成一个初始序列号(ISN),用于第一个数据段的序列号。
- 序列号递增:随着数据的发送,序列号会递增。例如,如果发送方发送了100字节的数据,那么下一个数据段的序列号将是100+1。
- 序列号回绕:序列号是一个32位的无符号整数,当序列号达到最大值(2^32-1)时,它会回绕到0,重新开始计数。
- 序列号与确认号的关系:接收方在发送ACK报文时,会将期望接收的下一个数据段的序列号作为确认号发送给发送方。
(4)序列号和确认应答号
序列号是TCP协议中确保数据有序传输和完整性的关键机制之一。通过序列号,TCP能够实现可靠的数据传输,即使在网络条件不理想的情况下也能保持数据的完整性。
二、超时重传机制
超时重传是指当TCP发送方在发送数据后,在预期的时间内没有收到接收方的确认应答(ACK),则会认为该数据段在传输过程中丢失或损坏,从而触发重新发送该数据段的过程。
1. 超时重传机制的作用
- 确保数据完整性:通过重传丢失或未被确认的数据,确保所有数据都能被接收方正确接收。
- 适应网络状况:网络状况可能随时变化,超时重传机制允许TCP根据当前的网络状况调整重传策略。
2. 超时重传机制的工作原理
- 设置超时时间(RTO, Retransmission Timeout):发送方为每个未被确认的数据段设置一个超时计时器。超时时间的确定通常基于往返时间(RTT, Round-Trip Time)的估计。
- 监控ACK:发送方持续监控接收方发回的ACK。如果收到的ACK确认了数据段,超时计时器会重置;如果没有收到预期的ACK,计时器继续倒计时。
- 超时触发重传:当超时计时器到达0时,如果相应的数据段仍未被确认,发送方会认为该数据段丢失,并重新发送该数据段。
- 调整超时时间:TCP会根据网络状况动态调整超时时间。例如,如果连续发生超时,TCP可能会增加超时时间,以减少不必要的重传。
3. 超时重传机制的优化
- 快速重传(Fast Retransmit):除了超时重传外,TCP还实现了快速重传机制。如果接收方收到一个数据段,但后续的数据段丢失,它会发送重复的ACK来指示发送方。发送方收到三个相同的ACK时,会立即重传丢失的数据段,而不必等待超时。
- 有限重传:为了防止无限重传,TCP通常会限制重传次数。如果数据段在多次重传后仍未被确认,TCP可能会放弃重传,并报告错误给应用层。
- 拥塞控制:超时重传是拥塞控制算法的一部分。当发生超时时,TCP可能会认为网络拥塞,并采取措施减少发送速率,以减轻网络负担。
4. 超时重传机制的影响
- 性能:超时重传可能会影响TCP连接的性能,特别是在网络状况不佳时。重传会增加延迟和额外的网络负载。
- 可靠性:尽管超时重传可能会影响性能,但它确保了数据的可靠传输,即使在网络条件不理想的情况下。
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