计算机网络——运输层（2）暨小程送书

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运输层（2）

TCP/IP对比

TCP（传输控制协议）：

TCP是一种面向连接的协议，它提供可靠的数据传输。
通过TCP，数据在发送和接收方之间建立起逻辑连接。
TCP使用确认和重传机制来确保数据的可靠传输。
TCP提供拥塞控制和流量控制，以确保网络上的可靠性和稳定性。
TCP适用于需要可靠数据传输的应用，如文件传输和电子邮件。

IP（互联网协议）：

IP是一种无连接的协议，它负责将数据封装为数据包并进行路由。
IP为每个主机分配一个唯一的IP地址。
IP负责将数据包从源主机路由到目标主机。
IP是一种不可靠的传输协议，它不保证数据传输的可靠性。
IP适用于需要高效数据传输的应用，如实时音频和视频流。

总结

TCP和IP分别负责数据传输的可靠性和路由，它们共同构成了TCP/IP协议套件，为互联网上的数据通信提供了基础。TCP和IP的结合使得互联网能够实现可靠的数据传输和全球范围内的连接。

拥塞控制原理

拥塞控制是TCP协议中的一个重要机制，用于避免网络拥塞并确保网络的稳定性和公平性。拥塞控制的原理主要包括以下几个方面：

慢启动（Slow Start）：在连接刚建立时，TCP发送方会以指数增长的速率增加发送窗口的大小，以便快速填充网络的带宽。这样可以在网络刚开始时快速适应网络的容量，同时避免造成拥塞。

拥塞避免（Congestion Avoidance）：一旦发送方的拥塞窗口大小达到一个阈值（通常是慢启动阈值），TCP发送方会切换到拥塞避免模式。在拥塞避免模式下，TCP发送方以线性增长的速率增加发送窗口的大小，以便更加谨慎地利用网络带宽，避免造成拥塞。

快重传（Fast Retransmit）：当接收方收到重复的确认时，表明有数据包丢失，TCP发送方会立即重传丢失的数据包，而不是等待超时定时器到期。这样可以更快地恢复丢失的数据包，减少网络拥塞的可能性。

快恢复（Fast Recovery）：在快重传后，TCP发送方会进入快恢复状态，此时它会将拥塞窗口减半，然后开始以线性增长的速率增加窗口大小，以便更加谨慎地利用网络带宽。

总结：拥塞控制通过动态调整发送窗口的大小、快速重传丢失的数据包以及采取线性增长的方式来适应网络的容量，从而避免造成网络拥塞。这些机制使得TCP能够在网络中表现出良好的稳定性和公平性，确保网络的正常运行。

拥塞原因与代价

在计算机网络中，拥塞是指网络中的流量过大，导致网络设备无法及时处理和转发数据包，从而造成网络性能下降甚至瘫痪的现象。

原因

过载的流量：当网络中的流量超过网络链路、交换机或路由器的处理能力时，就会出现拥塞。
突发性流量：例如网络中出现大规模的DDoS攻击，导致突然间大量的恶意流量涌入网络，引发拥塞。缓冲区溢出：当网络设备的缓冲区无法及时处理大量的数据包时，就会发生拥塞。链路故障：当网络中的链路出现故障或者某个节点发生故障时，会导致数据包无法正常传输，从而引发拥塞。

代价

数据丢失：在拥塞时，由于网络设备无法及时处理数据包，可能会导致数据包丢失。延迟增加：拥塞会导致数据包在网络中的传输延迟增加，从而影响实时性要求较高的应用，如视频会议、在线游戏等。吞吐量下降：拥塞会导致网络的吞吐量下降，影响网络的整体性能。服务质量下降：拥塞可能会导致网络中的服务质量下降，例如VoIP通话质量下降、视频卡顿等。网络不稳定：拥塞会导致网络的不稳定性增加，可能会出现网络抖动、连接断开等问题。

总结

拥塞的原因主要包括流量过载、突发性流量、缓冲区溢出和链路故障等；而拥塞的代价主要表现在数据丢失、延迟增加、吞吐量下降、服务质量下降以及网络不稳定等方面。因此，有效的拥塞控制机制对于保障网络的正常运行和性能至关重要。

拥塞控制方法

流量控制

流量控制是通过限制发送方的发送速率来适应网络的接收能力，避免过多的数据注入网络。常见的流量控制方法包括滑动窗口协议和速率控制协议。这些方法通过控制发送方的发送速率，使得发送方发送的数据不会超过网络的承载能力，从而避免网络拥塞。

拥塞避免

拥塞避免是一种动态调整发送速率的机制，以适应网络拥塞情况的变化。TCP协议中的慢开始和拥塞避免算法就是典型的拥塞避免方法。这些算法通过监测网络的拥塞情况，动态调整发送速率，以避免网络拥塞的发生。

拥塞控制算法

拥塞控制算法通过不同的方式来调整发送速率、处理丢包等，以适应网络的拥塞情况。常见的拥塞控制算法包括TCP Tahoe、TCP Reno、TCP Vegas等。这些算法通过监测网络的拥塞情况，采取相应的措施来控制发送速率，以避免网络拥塞。

主动队列管理

AQM在路由器或交换机上实现主动的队列管理，通过丢包、延迟等方式来控制流量，避免网络拥塞。常见的AQM算法包括Random Early Detection（RED）和Random Early Marking（REM）等。

负载均衡

负载均衡通过将流量分散到多条路径上，避免出现某条路径上的拥塞，从而提高整个网络的吞吐量和性能。

TCP拥塞控制

慢开始（启动）

慢开始是TCP拥塞控制的一种算法，它在连接刚建立时，以指数增长的方式增加拥塞窗口（cwnd），从而迅速占用网络资源。当网络负载较低时，慢开始可以使发送方快速达到网络的吞吐量上限，提高网络利用率。

拥塞避免

一旦拥塞窗口（cwnd）增长到一个阈值（通常是慢开始阈值），TCP就会进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，拥塞窗口以线性增长的方式增加，而不是指数增长，以避免过快地占用网络资源，从而避免引起网络拥塞。

快重传

当发送方连续收到三个重复的确认（duplicate ACK）时，就会触发快重传机制，发送方会立即重传丢失的报文段，而不必等到超时重传定时器到期。这样可以更快地恢复丢失的报文段，减少网络拥塞对性能的影响。

快恢复

在快重传之后，TCP会进入快恢复状态，此时拥塞窗口大小会减半，然后以线性增长的方式逐渐增加，而不是从慢开始阶段重新开始。这样可以更快地适应网络的拥塞情况，减少网络拥塞对性能的影响。

超时重传

如果发送方在一定时间内没有收到确认，就会触发超时重传机制，发送方会重传未确认的报文段。超时重传是TCP拥塞控制的一种保护机制，用于处理网络丢包或其他异常情况。

对TCP吞吐量的宏观描述

TCP的吞吐量是指TCP连接在单位时间内能够传输的数据量，通常以每秒传输的数据量（比特率或字节率）来衡量。TCP吞吐量受到多种因素的影响，包括网络带宽、往返时延、拥塞控制算法、丢包率、拥塞窗口大小等。

经高带宽路由的TCP

经高带宽路由的TCP指的是在计算机网络中，TCP连接经过具有高带宽（大带宽）的网络路径进行数据传输。在这种情况下，TCP连接的性能和吞吐量受到多种因素的影响，需要针对高带宽路由进行相应的优化和调整。

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两书作者

关东升，一个在IT领域摸爬滚打20多年的老程序员=知名培训专家、畅销书作家，精通多种信息技术。曾参与设计和开发北京市公交一卡通系统、国家农产品追溯系统、金融系统微博等移动客户端项目，并在App Store发布多款游戏和应用软件。长期为中国移动、中国联通、中国南方航空、中国工商银行和天津港务局等企事业单位提供培训服务。先后出版了50多部IT图书，广受读者欢迎。

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