Transmission Control Protocol (TCP)

tags: Technology Internet

概述

TCP為 傳輸層 的一種協定，因為是可靠傳輸，相較於 UDP 複雜許多，他有以下幾個機制:

1. 連線導向(Connection-oriented)
2. 全雙工服務(Full-duplex service)
3. 可靠資料傳輸(Reliable data transfer)
   • 估計來回時間
   • 倍增逾時間隔
   • 快速重送(Fast Retransmit)
4. 流量控制(Flow Control)
5. 壅塞控制(Congestion Control)

假設某台主機上的行程(用戶端行程)想要與另一台主機(伺服端行程)開啟連線，而建立TCP連線大概的步驟如下:

1. 先透過三次握手(three-way handshake) 建立連線，TCP連線建立後就可以開始傳送資料
2. 用戶端行程透過socket送出資料至傳送緩衝區(send buffer)
3. 從緩衝區中抓出資料放入區段(segment) 中，要注意的是資料量有限制，受限於最大區段大小(Maximum Segment Size, MSS) ，而MSS的大小通常又是由最大連結層訊框，又稱為最大傳輸單元(Maximum transmission unit, MTU) 決定。 所以當TCP要傳送大型檔案時，通常會將檔案切割成大小為MSS的片段。
4. 建立TCP區段(TCP segment) ，為資料加上標頭後送入網路層。
5. 另一端收到後，資料會先放在接收緩衝區(Receive buffer) 。
6. 應用程式再從緩衝區讀出資料。

TCP區段結構 (TCP segment format)

TCP標頭通常是20個位元組，結構如下所示:

1. 來源端與目的端埠號(SrcPort and DstPort number)
2. 序號(SequenceNum) - 32 bits
   紀錄第一個位元組的編號。假設現在要傳送30000位元組的檔案而MSS為1000位元組，所以檔案會被分成30個segment，而第一個segment的序號為0，第二個segment為1000，第三個為2000，以此類推。
3. 確認編號(Acknowledgment) - 32 bits
   //TODO
4. 標頭長度(HdrLen) - 4 bits
   紀錄標頭的長度，通常Options是空的，所以一般TCP標頭長度為20個bytes。
5. FLAG - 6 bits
   URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN 6個bits。
6. 接收窗格(AdvertisedWindow)
7. 檢查和(Checksum)

TCP的建立與關閉 Connection Establishment and Termination

建立連線

TCP透過三次握手(three-way handshake) 建立連線，有以下3個步驟

• Step 1
  用戶端傳送一個不含資料的TCP區段到伺服端，該區段的FLAG欄位中的SYN位元為1，且會隨機選定一個初始序號(client_isn)

• Step 2
  伺服端收到後配置TCP緩衝區與變數，並送出連許可區段給用戶端

  • 確認客戶端的序號：ACK=1，且Acknowledgment欄位為client_isn+1。
  • 傳送自己的初始序號：SYN=1，序號欄位為自己的初始序號server_isn。

• Step 3
  用戶端收到連線許可區段後，配置緩衝區與變數給該筆TCP連線，SYN=0、ACK=1，Acknowledgment欄位為server_isn+1。
  

這三個步驟都完成後，雙方就可以開始互相傳送資料了。之後的資料，SYN位元都會被設定成0。

關閉連線

傳輸資料一段時間後，任一方都可結束該筆連線，假設現在用戶端想結束，步驟如下:

1. 用戶端送出特殊TCP區段，FLAG內的FIN位元為1。
2. 伺服端收到後，傳回確認區段給用戶端。
3. 接著伺服端再送出FIN位元為1的TCP區段給用戶端。
4. 用戶端收到後傳回確認區段結束這筆連線。

來回時間的評估

在逾時就重送的機制哩，設定逾時間隔是很值得討論的議題，他要比來回時間(RTT)長，但又不能太長，所以估計RTT就變得很重要。TCP的RTT估計如下所示:

1. 當收到ACK時，TCP就會記下發出packet跟收到ACK的時間間隔，記為

   $SampleRTT$。

2. 任意時間的

   $SampleRTT$都有可能不同，所以TCP會持續更新一個估計值
   $EstimatedRTT$：
   
   $$EstimatedRTT=(1-\alpha )\times EstimatedRTT+\alpha \times SampleRTT$$
   根據RFC6298，
   $\alpha$的建議值為0.125。

3. TCP也會估計RTT的變動程度

   $DevRTT$，這個是SampleRTT跟EstimatedRTT的差距：
   
   $$DevRTT=(1-\beta )\times DevRTT+\beta \times |SampleRTT-EstimatedRTT|$$
   
   $\beta$ 的建議值為0.25。

4. 逾時間隔

   $TimeoutInterval$就被定義為：
   
   $$TimeoutInterval=EstimatedRTT+4\times DevRTT$$