tcp緩存
㈠ 傳輸層Transport layer TCP, since 2020-08-05
(2020.08.07)
TCP被稱為面向連接的(connection-oriented)，這是因為一個進程可以向另一個進程發送數據之前，兩個進程需要先握手，即他們開始互相發送預備報文段，以確保建立數據連接的參數。
TCP是邏輯連接，其共同狀態僅保存在兩個通信端系統的TCP程序中。而端系統之間的網路元素不會維持TCP的連接狀態。中間路由器對TCP完全視而不見，他們只看到數據報，而非連接。
通信特點
全雙工(full-plex service)，處在不同主機的進程A和進程B之間存在一條連接，數據可以同時從A流向B和從B流向A。
點對點(point-to-point)，在單個發送方和單個接收方之間的連接。
伺服器進程和客戶進程
發起連接的進程稱為客戶進程，另一個稱為伺服器進程。
(2020.08.08)
數據一旦被送進socket，就由客戶TCP控制了，TCP將數據放在一個數據緩存(send buffer)里(C/S兩端都有)，該緩存也是三次握手時數據存放處。TCP會從緩存中取出一塊數據，傳遞給網路層。
TCP首部+客戶數據=TCP報文段(TCP segment)
TCP從send buffer中取出並放入報文段中數據的數據量受限於 最大報文段長度(maximum segment size, MSS) ，其根據最初確定的由本地主機發送的最大鏈路層幀長度(即最大傳輸單元Maximum transmission unit, MTU)來設置。乙太網和PPP鏈路都有1500位元組的MTU，考慮到TCP/IP首部一般是40位元組(TCP首部20位元組)，TCP報文段中數據長度典型值是1460位元組。注意到這里的MSS指的是TCP報文段中來自應用層的數據的最大長度。
TCP連接的組成
一台主機上的緩存、變數和連接進程的socket，以及另一台主機上的緩存、變數、socket。
首部+數據欄位。當TCP發送一個大文件，比如圖片，TCP通常將該文件劃分成長度為MSS的若干，除最後一塊，其他的都是MSS長度。而Telnet這樣的應用，數據欄位只有一個位元組長，也就是其TCP一般只有21個位元組的長度。
典型長度：20位元組/160bits (選項欄位為空時)
源埠號：16bits
目的埠號：16bits
序號(seq num)：32bits
確認號(acknowledgment num)：32bits
接收窗口(receive window field)：16bits ，用於流量控制，指示接收方願意接收的位元組數量
首部長度(header length field)：4bits ，以32bits的字為長度的TCP首部長度
選項欄位(options)：可選和變長
標志欄位(flag field)：6bits ，ACK/RST/SYN/FIN/PSH/URG
序號建立在傳送的位元組流之上而非報文段的序列值上，the sequence number for a segment是報文段首位元組的位元組流編號。比如一個待發送的文件共10,000個位元組，每個TCP的報文段發送1,000個，則第一個報文段的序號是0，第二個序號是1,000，以此類推。該序號是位元組的編號，並用於給報文段編號。
上面的例子中假設初始序號是0，在實際應用中收發兩方隨機選擇初始序號。
確認號略復雜。主機A和B之間建立TCP通信， 主機A填充進報文段的確認號是A期望從B收到的下一個位元組的序號 。
報文段的樣本RTT(SampleRTT)是報文段被發出(交給IP)到對該報文段的確認被收到之間的時間量。僅為一個已經發送的但目前尚未被確認的報文段估計SRTT，從而產生一個接近每個RTT的新SRTT值；不為已經被重傳的報文段計算SRTT；僅為傳輸一次的報文段測量SRTT。
由於網路環境變化，比如路由器的擁塞和端負載的變化，SRTT並不都是典型的。TCP會維持一個SRTT的均值(EstimatedRTT)，並根據下面公式計算ERTT
其中的推薦值 。該指數加權移動平均值(Exponential Weighted Moving Average, EWMA)賦予最近樣本的權值要高於舊樣本的權值，因越近的樣本能更好的反應網路的擁塞狀態。
此外，RTT的標准差DevRTT用於估算SRTT偏離ERTT的程度：
推薦值 。
超時間隔應該大於等於ERTT，否則造成不必要的重傳。但也不該比ERTT大很多，導致數據傳輸時延大。當SRTT波動大時，間隔大些，波動小時，間隔小些。
初始推薦值 ，當出現超時候翻倍。只要收到報文就更新ERTT，並根據公式重算TimeoutInterval。
(2020.08.09 Sat)
定時器
定時器的管理需要相當大的開銷，因此[RFC 6298]推薦僅使用單一的重傳定時器，即便有多個已發送但未被確認的報文段。
(2020.08.09 Sat)
TCP中發送方相關的三個主要動作
發送方對這些主要動作的反饋參考可靠數據傳輸的部分。
超時間隔的選取
每當超時事件發生，TCP重傳具有最小序號的未被確認的報文段。只是每次TCP重傳是都會將下一次的超時間隔設為先前值的兩倍，而不是用從EstimatedRTT和DevRTT推算的值。然而每當定時器遇到另外兩個事件，即ACK和上層數據，定時器的啟動TimeoutInterval由最近的ERTT和DRTT推算得到。
TCP兩側的主機都有接收緩存。流量控制服務用於消除sndr使rcvr緩存溢出的可能性。fcs因此是一個速度匹配服務，即sndr的發送速率和rcvr應用程序的讀取速率相匹配。
TCP讓sndr維護一個接收窗口(receive window)的變數來提供流量控制，即rw用於給sndr一個指示-該sndr還有多少可用的緩存空間。TCP是全雙工通信，兩端的發送方都維護一個rw。分析一種情況，主機A通過TCP向B發送一個大文件，B為該連接分配一個接收緩存，用RcvBuffer來表示。B的應用進程從該緩存中讀取數據。有如下變數
緩存不許溢出，故有 接收窗口用rwnd表示，緩存可用空間數量(即空閑的空間數量)表示為
主機A需要跟蹤另外兩個變數，LastByteSent和LastByteAcked，對A來說有
一個特例，當B的接收緩存滿，rwnd=0，假設此時B沒有任何數據要發送給A。考慮到TCP並不向A發送帶有rwnd的新報文段， 而事實上TCP僅當有數據或去人要發時才會發送報文段給A。導致A不知道B的接收緩存有新空間，A被阻塞不能在發送數據。解決方案，TCP規范要求，B的接收窗口為0時，A繼續發送只有一個位元組數據的報文段，這些報文段將會被接收方確認，最終緩存開始清空，且確認報文段將包含一個非0的rwnd值。
(2020.08.05)
TCP建立過程中三個握手(three-way handshake)的作用
三次發送，sndr/rcvr雙方各自確認了自身和對方的接收能力和發送能力。握手完成便可建立連接。
(2020.08.07)
前兩次握手的報文段不承載"有效載荷"，也就是不包含應用層數據，第三個握手可以承載應用層數據。
(2020.08.09 Sat)
完成這三步，C-S可通信，以後每一個報文段的SYN都設置為0。
結束連接
客戶打算結束連接，發出一個特殊的報文段，設置其中的FIN=1。伺服器接收到回復一個確認報文段，其中的FIN=1。伺服器再次發送一個結束連接報文段，FIN=1。客戶收到後發送ACK並釋放佔用的資源。
IP層不會向兩個端系統提供有關網路擁塞的反饋信息。略。
發送方sndr設定一個變數，擁塞窗口congestion windown，cwnd，它對TCP發送方能向網路中發送流量的速率進行了限制，並且和前面提到的接收窗口rwnd聯合決定了發送速率，即
TCP如何感知它和目的地之間的擁塞
定義丟包事件：出現超時，或者受到來自接收方的3個冗餘ACK。
一個丟失的報文段意味著擁塞，當報文丟失應該降低TCP sndr的發送速率。 即減小cwnd。
一個確認報文段指示該網路正在向rcvr交付sndr的報文段，因此，當對先前未確認報文段的確認到達時，能夠增加發送方的速率。
貸款檢測。
該演算法分為三部分，1)慢啟動，2)擁塞避免，3)快速恢復。其中的1和2是TCP強制部分。在收到ACK時，慢啟動比擁塞避免更快的增加cwnd的長度。
當一個TCP連接開始時，cwnd的值通常設為一個MSS的較小值。這使得發送速率大約為MSS/RTT。如MSS=500Bytes，RTT=200ms，則初始發送速率是20kbps。注意到此時帶寬可能比初始速率快的多。慢啟動(slow-start)狀態，cwnd的值以一個MSS開始並且每當傳輸的報文段首次被確認就增加一個MSS。這一過程使得每過一個RTT，發送速率就翻番。初始速度慢，但ss階段以指數增長。
結束ss的情況