TCP是怎樣工作的

第 1章
TCP入門(mén)
確保傳輸可靠性 1
1.1 通信與協(xié)議
OSI參考模型、TCP/IP和RFC 2
OSI參考模型 2
TCP/IP 10
分層模型下的數(shù)據(jù)格式 12
協(xié)議分層結(jié)構(gòu)下的通信過(guò)程 12

1.2 傳輸層與傳輸可靠性
將數(shù)據(jù)無(wú)亂序、無(wú)丟失地發(fā)送給接收方 15
傳輸可靠性 15
網(wǎng)絡(luò)擁塞 15
通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求 16
傳輸層的職責(zé) 17

1.3 UDP的基本情況
無(wú)連接的簡(jiǎn)單特性 18
UDP的基礎(chǔ)知識(shí) 18
單播、多播、廣播 19
適合UDP的應(yīng)用程序 20

1.4 TCP的基本情況
可靠性的確保與實(shí)時(shí)性 21
TCP的基礎(chǔ)知識(shí) 21
TCP與UDP的功能與特點(diǎn) 22
適合TCP 的應(yīng)用程序 23

1.5 TCP 的基本功能
重傳、順序控制和擁塞控制 23
連接管理 24
序列號(hào) 24
重傳控制 25
順序控制 26
端口號(hào) 27
流量控制 28
擁塞控制與擁塞控制算法 29
無(wú)線通信與TCP 30

1.6 面向特定用途的協(xié)議
RUDP、W-TCP、SCTP 和DCCP 32
RUDP 32
W-TCP 33
SCTP 36
DCCP 37

1.7 小結(jié) 37

第 2章
TCP/IP的變遷
隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及而不斷進(jìn)化的協(xié)議 39
2.1 TCP 黎明期
1968 年—1980 年 40
阿帕網(wǎng)項(xiàng)目啟動(dòng)（1968 年） 41
UNIX 問(wèn)世（1969 年） 44
搭建ALOHAnet（1970年） 45
TCP 問(wèn)世（1974 年） 46
以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)（1980年） 47

2.2 TCP發(fā)展期
1980年—1995年 48
擁塞崩潰問(wèn)題浮出水面（1980 年） 49
引入Nagle 算法（1984 年） 49
引入擁塞控制算法（1988 年） 51
往互聯(lián)網(wǎng)的遷移與萬(wàn)維網(wǎng)的誕生（1990 年） 52

2.3 TCP 普及期
1995年—2006 年 53
Windows 95發(fā)售（1995年） 54
IPv6投入使用（1999年） 54
無(wú)線LAN出現(xiàn)（1999年） 55
各式各樣的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)（2004年—2006年） 56

2.4 TCP擴(kuò)展期
21世紀(jì)00年代后半期—　 57
智能手機(jī)普及（2007年） 57
云計(jì)算出現(xiàn)（2006年） 58
移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高速化（2010 年、2015年） 59
物聯(lián)網(wǎng)的大眾化（2015年） 61
2.5 小結(jié) 62

第3章
TCP與數(shù)據(jù)傳輸
實(shí)現(xiàn)可靠性與效率的兼顧 65
3.1 TCP 的數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)包與首部的格式 66
數(shù)據(jù)包格式 66
TCP 報(bào)文段 66
TCP 首部格式 68
UDP 首部格式 72

3.2 連接管理
3次握手 73
建立連接 73
斷開(kāi)連接 74
端口與連接 75

3.3 流量控制與窗口控制
不宜多也不宜少，適當(dāng)?shù)陌l(fā)送量與接收方緩沖區(qū) 76
流量控制 76
緩存與時(shí)延 77
窗口控制 78
復(fù)習(xí)：流量控制、窗口控制和擁塞控制 79

3.4 擁塞控制
預(yù)測(cè)傳輸量，預(yù)測(cè)自律運(yùn)行且內(nèi)部宛如黑盒的網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部情況 80
TCP擁塞控制的基本概念 80
慢啟動(dòng) 81
擁塞避免 82
快速恢復(fù) 84

3.5 重傳控制
高可靠性傳輸?shù)年P(guān)鍵——準(zhǔn)確且高效 86
高可靠性傳輸所需的重傳控制 86
基于重傳計(jì)時(shí)器的超時(shí)控制 87
使用重復(fù)ACK 91
擁塞避免算法與重傳控制綜合影響下的流程及擁塞窗口大小的變化情況 92

3.6 TCP 初期的代表性擁塞控制算法
Tahoe、Reno、NewReno 和Vegas 93
擁塞控制算法的變化 93
Tahoe 94
Reno 96
NewReno 97
Vegas 99
3.7 小結(jié) 101

第4章
程序員必學(xué)的擁塞控制算法
逐漸增長(zhǎng)的通信數(shù)據(jù)量與網(wǎng)絡(luò)的變化 103
4.1 擁塞控制的基本理論
目的與設(shè)計(jì)，計(jì)算公式的基礎(chǔ)知識(shí) 104
擁塞控制的目的 104
擁塞控制的基本設(shè)計(jì) 105
擁塞控制中的有限狀態(tài)機(jī) 107
擁塞控制算法示例 109

4.2 擁塞控制算法
通過(guò)理論× 模擬加深理解 111
本書(shū)介紹的擁塞控制算法 111
NewReno 112
Vegas 115
Westwood 117
HighSpeed 119
Scalable 121
Veno 123
BIC 125
H-TCP 127
Hybla 129
Illinois 130
YeAH 133

4.3 協(xié)議分析器Wireshark 實(shí)踐入門(mén)
擁塞控制算法的觀察A 135
什么是Wireshark 135
Wireshark 的環(huán)境搭建 135
使用Wireshark 進(jìn)行TCP 首部分析 138
通過(guò)Wireshark 觀察擁塞控制算法 141

4.4 加深理解：網(wǎng)絡(luò)模擬器ns-3 入門(mén)
擁塞控制算法的觀察B 149
ns-3 的基本情況 149
搭建ns-3 環(huán)境 150
基于ns-3 的網(wǎng)絡(luò)模擬的基礎(chǔ)知識(shí) 151
腳本文件chapter4-base.cc 153
使用Python 運(yùn)行模擬器并進(jìn)行分析和可視化 155
4.5 小結(jié) 163

第5章
CUBIC算法
通過(guò)三次函數(shù)簡(jiǎn)單地解決問(wèn)題 167

5.1 網(wǎng)絡(luò)高速化與TCP擁塞控制
長(zhǎng)肥管道帶來(lái)的變化 .168
Reno和NewReno 168
快速恢復(fù) 168
網(wǎng)絡(luò)的高速化與長(zhǎng)肥管道 169
端到端之間的三大時(shí)延 170
長(zhǎng)肥管道下NewReno的新問(wèn)題 171

5.2 基于丟包的擁塞控制
以丟包情況為指標(biāo)的一種歷史悠久的方法 173
基于丟包的擁塞控制算法的基本情況 174
AIMD 控制 174
[實(shí)測(cè)]NewReno的擁塞窗口大小的變化情況 176
HighSpeed與Scalable 179
親和性 183
RTT公平性 184

5.3 BIC
以寬帶、高時(shí)延環(huán)境為前提的算法 186
BIC是什么 186
增大擁塞窗口大小的兩個(gè)階段 187
BIC的擁塞窗口大小的變化情況 188
BIC的問(wèn)題 190

5.4 CUBIC的機(jī)制
使用三次函數(shù)大幅簡(jiǎn)化擁塞窗口大小控制算法 190
CUBIC的基本情況 190
窗口控制算法的關(guān)鍵點(diǎn) 191
CUBIC 的擁塞窗口大小的變化情況 192
模擬結(jié)果中展現(xiàn)出來(lái)的高親和性 194
模擬結(jié)果中展現(xiàn)出來(lái)的RTT 公平性 194
窄帶低時(shí)延環(huán)境下的適應(yīng)性 195
CUBIC的問(wèn)題 197

5.5 使用偽代碼學(xué)習(xí)CUBIC算法
主要的行為與處理過(guò)程 198
初始化 198
收到ACK時(shí)的行為 199
丟包時(shí)的行為 199
超時(shí)時(shí)的行為 200
主要的函數(shù)與處理 200
5.6 小結(jié) 202

第6章
BBR算法
檢測(cè)吞吐量與RTT的值，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送量 205

6.1 緩沖區(qū)增大與緩沖區(qū)時(shí)延增大
存儲(chǔ)成本下降的影響 206
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的緩沖區(qū)增大 206
緩沖區(qū)膨脹 207
基于丟包的擁塞控制與緩沖區(qū)膨脹的關(guān)系 208
緩沖區(qū)增大給CUBIC 帶來(lái)的影響 210

6.2 基于延遲的擁塞控制
以RTT 為指標(biāo)的算法的基本情況和Vegas示例 212
3 種擁塞控制算法和如何結(jié)合環(huán)境選擇算法 212
基于延遲的擁塞控制的基本設(shè)計(jì)思路 213
Vegas的擁塞窗口大小的變化情況 214
過(guò)去的基于延遲控制的問(wèn)題 215

6.3 BBR的機(jī)制
把控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送量與RTT之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最大吞吐量 217
BBR的基本思路 217
BBR的擁塞窗口大小控制機(jī)制 218
RTprop的估算 219
BtlBw的估算 220

6.4 使用偽代碼學(xué)習(xí)BBR算法
收到ACK時(shí)和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) 221
收到ACK時(shí) 222
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) 222

6.5 BBR的流程
模擬實(shí)驗(yàn)中的各種流程 223
只有BBR網(wǎng)絡(luò)流時(shí)的表現(xiàn) 223
當(dāng)多個(gè)BBR網(wǎng)絡(luò)流同時(shí)存在時(shí) 225
與CUBIC的共存 227
長(zhǎng)肥管道下的表現(xiàn) 229
6.6 小結(jié) 231

第7章
TCP前沿的研究動(dòng)向
應(yīng)用程序和通信環(huán)境一旦變化，TCP也會(huì)變化 233

7.1 TCP 周邊環(huán)境的變化
3個(gè)視角：通信方式、通信設(shè)備和連接目標(biāo) 234
TCP迄今為止的發(fā)展情況 234
觀察通信環(huán)境變化的3 個(gè)視角 235
通信方式的變化 236
通信設(shè)備的多樣化 238
連接目標(biāo)的變化 239
小結(jié) 241

7.2 5G（第5代移動(dòng)通信）
移動(dòng)通信的大容量化、多設(shè)備支持、高可靠性與低時(shí)延 241
[背景] 5G的應(yīng)用場(chǎng)景與走向?qū)嵱玫囊?guī)劃 242
[問(wèn)題] 如何應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的需求條件 244
[TCP相關(guān)動(dòng)向A] 毫米波段的處理 245
[TCP相關(guān)動(dòng)向B] 多路徑TCP 246
[TCP相關(guān)動(dòng)向C] 高清流媒體 248

7.3 物聯(lián)網(wǎng)
通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制各種各樣的設(shè)備 249
[背景] 多樣的設(shè)備和通信方式 249
[問(wèn)題] 處理能力和通信環(huán)境上的制約 252
[TCP相關(guān)動(dòng)向] 適配物聯(lián)網(wǎng) 253

7.4 數(shù)據(jù)中心
大規(guī)模化與各種需求條件并存 254
[背景] 云服務(wù)的普及和數(shù)據(jù)中心的大規(guī)?；?254
[問(wèn)題] 針對(duì)緩沖區(qū)的互斥的需求條件 256
[TCP相關(guān)動(dòng)向] 面向數(shù)據(jù)中心的擁塞控制 257

7.5 自動(dòng)駕駛
追求高可靠性與低時(shí)延、大容量的通信性能 259
[背景] 以普及自動(dòng)駕駛為目的的技術(shù) 259
[問(wèn)題] 高速移動(dòng)時(shí)的高可靠性通信 262
[與TCP的關(guān)系] 關(guān)于確保可靠性 263
7.6 小結(jié) 264