📖 TCP 可靠传输的实现

🎯 课程摘要：TCP 基于以字节为单位的滑动窗口 (sliding window) 实现可靠传输，通过序号、累积确认、超时重传机制保证数据可靠到达。发送方用三个指针 P1/P2/P3 描述发送窗口状态，接收方对按序收到的最高序号给出确认并暂存未按序到达的数据。TCP 还要求累积确认与捎带确认机制以减小开销。

📝 详细笔记

1. TCP 与选择重传协议中 ACK 的区别

  • ⚠️ 重点/考点：ACK N 的含义在两种协议中不同：
    协议ACK N 的含义
    选择重传协议序号到 N 为止的数据已正确接收，期望收到 N+1
    TCP 协议序号到 N-1 为止的数据已正确接收，期望收到 N

2. 发送窗口的构造与移动

  • 窗口构造：发送方收到接收方确认报文段后，根据其首部中确认号 ACK 字段和窗口 字段的值构造自己的发送窗口。
    • 例：ACK=31 表示序号到 30 已全部正确接收，期望 31；窗口=20 表示接收方 RWND=20，发送方据此设 SWND=20。
  • 发送窗口的结构：
    • 后沿后面：已发送并已收到确认的数据（可从发送缓存删除）；
    • 窗口内：已发送未确认 + 允许发送未发送；
    • 前沿前面：当前不允许发送的数据。
  • 后沿移动：只有两种可能——不动（未收到新确认）或前移（收到新确认）；不可能后移（不能撤销已收到的确认）。
  • 前沿移动：有三种可能——
    1. 前移（通常情况）；
    2. 不动：①未收到新确认且窗口大小未变；②收到新确认前移但接收方通知窗口缩小，前移与回缩抵消；
    3. 向后收缩：接收方通知窗口变小。TCP 标准强烈不赞成此做法，因为发送方可能在收到通知前已发送数据。
  • ⚠️ 重点/考点：凡已发送未收到确认的数据必须暂时保留，以便超时重传使用。

3. 发送窗口状态的三个指针

  • 概念定义：编程实现滑动窗口机制时，用三个指针 P1、P2、P3 描述发送窗口状态：
  • 指针含义：
    指针指向
    P1发送窗口内已发送但未收到确认的第一个数据序号
    P2发送窗口内还未发送的第一个数据序号
    P3发送窗口前沿外的第一个数据序号
  • ⚠️ 重点/考点：指针运算关系：
    • P3 − P1 = 发送窗口尺寸（SWND）
    • P2 − P1 = 已发送但未收到确认的字节数
    • P3 − P2 = 允许发送但未发送的字节数（可用窗口/有效窗口）

4. 接收窗口与累积确认

  • 接收窗口工作过程：以接收窗口=20 为例：
    • 序号到 30 为止的数据已确认并交付应用进程，可删除；
    • 接收窗口内 31~50 号为允许接收的数据；
    • 收到 32、33 号（未按序到达，因 31 号未到）→ 接受并存入接收缓存；
    • 接收方只能对按序收到的数据中的最高序号给出确认，故确认号 ACK 仍为 31（重复确认）；
    • 31 号到达后，可将 31~33 一起交付应用进程，接收窗口前移 3 个序号，发送确认 ACK=34。
  • 累积确认：确认号 ACK=N 表示序号到 N-1 为止的全部数据已正确接收。
  • ⚠️ 重点/考点：未按序到达的数据先暂存接收窗口，待缺少的字节收到后再按序交付上层应用进程。

5. 补充说明

  1. 发送窗口与接收窗口不一定同步：同一时刻发送窗口并不总是等于接收窗口，因为网络传送窗口值有滞后且时间不确定；发送方还可能因网络拥塞适当减小发送窗口。
  2. 不按序到达数据的处理：TCP 无明确规定；若一律丢弃则窗口管理简单但浪费网络资源（发送方重复传送较多数据）；TCP 通常先暂存接收窗口，待缺少字节收到后按序交付。
  3. 累积确认与捎带确认：
    • 接收方可在合适时候发送确认，也可在自己有数据发送时捎带确认信息；
    • 确认推迟时间不应超过 0.5 秒；
    • 若收到一连串具有最大长度的报文段，必须每隔一个报文段发送一个确认；
    • 捎带确认实际不常发生，因大多数应用很少同时在两个方向发送数据。
  4. 全双工通信：TCP 通信双方都既发送又接收，每方都有自己的发送窗口和接收窗口，须弄清楚是哪一方的窗口。

💡 核心总结

  • TCP 滑动窗口以字节为单位，通过序号、累积确认、超时重传实现可靠传输。
  • 三个指针 P1/P2/P3 完整描述发送窗口状态：P3−P1=窗口大小，P3−P2=可用窗口。
  • 接收方对按序到达的最高序号给确认，未按序数据先暂存。
  • 后沿只能前移不能后移；前沿通常前移，TCP 强烈不赞成向后收缩。
  • 累积确认 + 捎带确认减小开销，确认推迟不超过 0.5 秒。

❓ 课后思考 / 经典考题

  1. TCP 中的 ACK N 与选择重传协议中的 ACK N 有何区别？
  2. 用 P1、P2、P3 三个指针描述发送窗口，如何计算已发送未确认字节数和可用窗口大小？
  3. 为什么 TCP 标准强烈不赞成发送窗口前沿向后收缩？
  4. 接收方收到未按序到达的数据应如何处理？确认号如何取值？
  5. 累积确认和捎带确认的作用是什么？确认推迟时间上限是多少？
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Contributors: yangwenguang