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  • 可靠传输
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    2021-06-15 01:59:29

    传输技术 指充分利用不同信道的传输能力构成一个完整的传输系统,使信息得以可靠传输的技术。传输系统是通信系统的重要组成部分,传输技术主要依赖于具体信道的传输特性。

    充分利用不同信道的传输能力,使信息得到可靠传输的技术。有效性和可靠性是信道传输性能的两个主要指标。

    实际传输系统都存在噪声、色散等干扰,它们影响信息传输的可靠性。

    可靠传输,就是采用一系列技术来保障信息在发送方和接收方准确、精确的传输。

    中文名

    可靠传输

    外文名

    Reliable transfer相关协议

    停止等待协议、ARQ

    应用领域

    计算机通讯

    最理想的传输有两个特点:

    1)传输信道不产生差错;

    2)不管发送方是否降低发送数据的速度,不需要采取任何措施就能够实现可靠传输。

    然而实际中的网络并不能够达到这种理想的状态,但我们可以通过使用一些可靠传输的协议去处理这些问题,比如规定如果发现发送的数据发生错误时让发送方重新发送,这样的协议有停止等待协议、连续ARQ协议。

    可靠传输TCP/IP协议的可靠性

    语音

    TCP:传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前,必须先在双方之间建立一个TCP连接,之后才能传输数据。TCP提供超时重发,丢弃重复数据,流量控制等功能,保证能从一端传到另一端。

    当应用层向TCP层发送用于网间传输的、用字节表示的数据流,TCP则把数据流分割成适当长度的报文段,最大传输段大小(MSS)通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传送单元(MTU)限制。之后TCP把数据包传给IP层,由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

    TCP为了保证报文传输的可靠,就给每个包一个序号,同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认,那么对应的数据(假设丢失了)将会被重传。

    在数据正确性与合法性上,TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误,在发送和接收时都要计算校验和;同时可以使用md5认证对数据进行加密。

    在保证可靠性上,采用超时重传和捎带确认机制。

    在流量控制上,采用滑动窗口协议,协议中规定,对于窗口内未经确认的分组需要重传。

    UDP:用户数据协议,是一个简单的面向数据的运输层协议。UDP不提供可靠性,它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报削不用在客户和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发机制,故而传输速度很快。

    TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据包之前必须先建立一个TCP连接。这一过程与打电话很相似,先拨号振铃,等待对方摘机说“喂”,然后才说明是谁。在一个TCP连接中,仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP。

    可靠传输TCP可靠传输机制

    语音

    总结一下,TCP通过下列方式来提供可靠性:

    1)面向字节流和缓存机制:应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同,应用程序产生的数据长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段(segment)。

    2)超时重发和确认机制:当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。当TCP收到发自TCP连接另一端的数据,它将发送一个确认。TCP有延迟确认的功能,在此功能没有打开,则是立即确认。功能打开,则由定时器触发确认时间点。

    3)检验和机制:TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段(希望发端超时并重发)。

    4)字节编号机制:既然TCP报文段作为IP数据报来传输,而IP数据报的到达可能会失序,因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要,TCP将对收到的数据进行重新排序,将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

    5)自动丢弃重复机制:既然IP数据报会发生重复,TCP的接收端必须丢弃重复的数据。

    6)流量控制:TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

    两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务(byte stream service)。如果一方的应用程序先传10字节,又传20字节,再传50字节,连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。只要自己的接收缓存没有塞满,TCP 接收方将有多少就收多少。一端将字节流放到TCP连接上,同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。

    另外,TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据,还是ASCⅡ字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。

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  • 可靠传输协议

    2015-05-08 10:23:50
    该文件基于C语言编程对可靠传输协议进行模拟仿真,希望对你有借鉴作用。
  • TCP的不可靠传输

    千次阅读 2022-05-11 21:50:50
    一个常见的面试题:UDP如何实现可靠传输。 既然有TCP了,干嘛用UDP重新实现一遍,就算非要卷,能比QUIC更好吗?显然,这问题没意义。 还有另一个问题,TCP如何实现不可靠传输。 数据传输只有两个协议可选(这里不抬杠...

    一个常见的面试题:UDP如何实现可靠传输。

    既然有TCP了,干嘛用UDP重新实现一遍,就算非要卷,能比QUIC更好吗?显然,这问题没意义。

    还有另一个问题,TCP如何实现不可靠传输。

    数据传输只有两个协议可选(这里不抬杠),TCP或UDP,对于那些某些数据可以丢失某些却必须送达的传输业务而言,就要在UDP上重写一个协议,可理解为松散可靠传输。实现这种协议工作量不小,收益却不大。

    so,人们往往选择复用TCP,当然也继承了TCP的缺陷,如队头拥塞,而这是大多数卡顿,传输低效的根源。换句话说,TCP根本就无法实现柔性降级有损传输。

    人们有几百种激进重传方案来“优化”TCP,企图快速消除队头拥塞,却没人想到对丢包宽容,而将重传作为兜底的能力,仅对那些不允许丢弃的数据重传。

    为什么不迭代TCP增加松散传输能力呢?

    为TCP赋予一个新的能力,而不是重新实现一个新协议,这是我的想法。不要总拿TCP升级麻烦说事,相比重新实现部署新协议,升级协议更划算。

    从端到端原则看分层模型,越上层离端越近,端到端原则倾向于写更多端代码,让业务逻辑发散,底层的传输能力应尽力收敛,避免冗余。

    若重新实现松散可靠传输,其中可靠传输部分和TCP就是冗余的,冗余将带来维护成本。

    要组合小功能,不要实现大逻辑。

    这方面的一个反例是QUIC,QUIC重新实现了可靠传输,是典型推倒重来的案例。所有需要可靠传输的业务不得不在TCP和QUIC二选一,一旦选择一个,意味着将彻底放弃另一个的迭代收益。即便全部选择QUIC,TCP存量与QUIC加起来的维护成本依然不可小觑。

    该说的都说了,大致意思和前面那篇一致,不要再加一个层了,而是迭代逻辑:
    TCP与移动性

    对于松散可靠传输,具体做法不难:

    • 应用自己决定数据是否可丢弃。
    • 将应用的决定落实到TCP头的flag。
    • 新增option追踪可丢弃数据序列号和长度。
    • 接收端根据flag决定是否对gap回复ACK。

    下图展示的更具体些:
    在这里插入图片描述

    这个迭代并非仅实现松散可靠传输,还有新玩法,它将足够的传输策略的控制权交给了应用。

    应用可自己做FEC,在丢包率高或延时敏感时尽可能将数据标记为可丢弃,TCP便可在弱网中尽力传输了。在丢包率低或延迟不敏感时,可加大重传力度而减少FEC。根据D2标志位依然可以像往常一样进行速率采样进行拥塞控制。

    万事切换自如。

    迭代TCP而不实现新协议还有个很重要原因,中间节点对TCP更友好。此类中间节点包括状态防火墙,NAT网关等中间节点实现复杂功能虽违背端到端原则,但现实中它们存在即合理,若大规模部署QUIC,是否升级中间设备就是必须考虑的事,迭代TCP只需在端到端修改协议实现,这件事本身反而揭露了端到端原则的本质。

    昨晚跟同事聊关于面试题的选择,聊到了几个可玩性比较好的面试题,比如问socket调用3个参数的意义,比如select第一个参数最大值为什么是1024(先问是不是,再问为什么),比如80行代码实现贪吃蛇,比如单链表逆转或者单词逆序,再比如如何UDP实现可靠传输,不过最后这个问题不好玩,好玩的是另一个,如何用TCP实现不可靠传输。居家办公,时间灵活,作文以记之。
    浙江温州皮鞋湿,下雨进水不会胖。

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  • 用udp实现可靠的数据传输,实现高效的数据传输性能
  • 可靠传输的基本概念2.实现机制1.停止—等待协议SW2.回退N帧协议GBN(Go-Back-N) 1.可靠传输的基本概念     前面提到差错检测技术类似CRC,通过这种手段接收端就能发现帧在传输过程中是否产生了误码。而如果...


    1.可靠传输的基本概念

        前面提到差错检测技术类似CRC,通过这种手段接收端就能发现帧在传输过程中是否产生了误码。而如果发现产生了误码,对于不可靠传输而言,仅仅丢弃有误码的帧,其他什么也不做。而可靠传输则不一样,它会实现发送端发送什么,接收端就接收到什么。
        一般情况下,有线链路的误码率比较小,不要求数据链路层向上提供可靠传输服务,即使有误码,问题也由上层解决。无线链路容易受干扰,因此要求提供可靠传输服务。
        从整个计算机系统看,比特差错只是传输差错中的一种,还有诸如分组丢失、分组失序、分组重复,这些错误一般不出现在数据链路层,而是在其上层。可靠传输服务也不局限于数据链路层,其它层均可以实现可靠传输。而可靠传输的实现手段就是我们需要进一步了解的。


    2.实现机制

    1.停止—等待协议SW

    在这里插入图片描述
        停止—等待协议就是当发送发发送一段数据后,会停下来等到接收方返回消息,确认收到或没有收到数据。如果收到数据,会返回确认消息ACK,发送方就可以继续发送,而如果没收到就会返回否认消息NAK,接收方会重新发送之前的数据。
    在这里插入图片描述

        但如果数据丢失了,发送方一直在等待接收方的确认或否认,数据传输就陷入停滞。针对这种情况可以设置超时计时器,设置重传时间,其值应略大于从发送方到接收方的平均往返时间,当接收方在重传时间内一直未得到反馈,就会重新发送原来的数据。
    在这里插入图片描述
        当出现超时重传的情况后,接收方需要判断接收到的数据分组是不是重复的,因此需要给每一个分组编号,因为每次发送端发送数据后都会停下来等待,所以相邻数据分组的编号只要互不相同即可,依次取0,1,0,1…当发现两次接收到同样编号的数据分组,将其丢弃即可。
    在这里插入图片描述
        同样的道理,确认信息也有可能出现晚点,这样就可能导致原本是上一个数据分组的确认信息,却被以为是新的分组的确认信息,造成误会。也可以给确认信息像发送端发送的数据分组一样编号。
    在这里插入图片描述
        SW协议的新到利用率如上图所示,在忽略处理数据时延的情况下,取决于发送实验TD,往返时间RTT,一般TA较小可忽略。

    2.回退N帧协议GBN(Go-Back-N)

    在这里插入图片描述
        停止—等待协议的信道利用率比较低,如果采用上图所示的流水线传输,即一次性传输多个数据分组,可提升行动利用率,再次基础上,就可以引出回退N帧协议
    在这里插入图片描述
        加入采用3个比特给分组编号,即序号0-7,选择发送窗口的尺寸在1~2^3-1之间,如果选择尺寸为8,会导致无法分辨新旧两组数据的问题。这里假设发送窗口分组数为5,接收窗口分组数为1。则发送方可以同时发送5个分组。
    在这里插入图片描述
        接收窗口每接收一个分组就向前进一格,并向发送端发送确认信息,发送窗口收到确认信息后,也会前进相应的分组数。
    在这里插入图片描述
        接收方不一定需要对收到的分组逐个发送确认,可以在收到几个分组后,对按序到达的最后一个分组发送确认。比如上图中接收方收到了5个数据分组,对分组4发送了确认,这样接收方就知道了这些分组被正确接收。并且即使其中有分组丢失了,也不需要发送方重传。
    在这里插入图片描述
        而如果上图中的分组5出现了误码被丢弃,那么接下来的4个分组序号就不匹配了,此时就会触发退回机制。
    在这里插入图片描述
        每接收到一个序号不符合的分组,接收方就会产生一个对接受到的最后一个分组4的确认,并发送给发送方,发送方就知道需要进行重传。

    3.选择重传协议SR

        GBN协议中一个数据分组的误码就会导致其后续多个数据分组被丢弃,会引起发送方的超时重传,这是对通信资源的巨大浪费。为了进一步提高性能,可以设法只传送出现误码的数据分组。接收窗口的尺寸不应该在等于1,当接收方收下失序到达但无误码、并且序号落在接收窗口内的数据分组,等待缺失分组收齐后再一起上交,这就是选择重传协议。
    在这里插入图片描述
        发送窗口的尺寸应在1~2^(3-1)之间,超过这个范围同样会引起无法分辨新老分组的情况。选择接收窗口和发送窗口的尺寸都为4,发送窗口传输4个分组到达接收方,其中分组2丢失了。
    在这里插入图片描述
        接收到前两个分组后,接收窗口前移两格,再将没有误码的分组3也接收,但并不前移。发送对0,1,3的确认给发送方,发送窗口会前移两格。在这里插入图片描述
        发送窗口将进入窗口的分组4和5页发送出去,并获得确认。而当重传计时器超时,发送方会重新发送分组2到接收方,接收完成后,接收窗口和发送窗口都向前移动4格。
    在这里插入图片描述

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  • 【网络】TCP如何保证可靠传输

    千次阅读 2022-02-21 10:49:48
    TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有 1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块 2.TCP给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用成 3.校验和 4.序列号 5.确认回答 ...

    TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有

            1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块

            2.TCP给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用成

            3.校验和

            4.序列号

            5.确认回答

            6.超时充传

            7.连接管理

            8.流量控制

            9.拥塞控制

    校验和

    TCP将保持它首部和数据的检验和,这是一个端到端的校验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化,如果有差错,TCP将丢弃这个报文段和不缺人收到此报文段

    计算方式

    在数据传输的过程中,将发送的数据端都当作一个16位的证书,将这些证书加起来,并且前面的进位不能丢弃,补在后面,最后取反,得到校验和

    发送方在发送数据之前计算校验和,并进行校验和的填充

    接收方收到数据后,对数据以同样的方式进行计算,求出校验和,与发送方进行比对

    这里写图片描述

    注意:接收方和校验方如果校验码一致,数据不一定传输成功

    确认应答与序列号

    通过比对Seq和ACK来实现

    这里写图片描述

    序列号的作用不仅仅是应答的作用,有了序列号,能够接收到的数据根据序列号排序,并且去掉重复序列号的数据。

    超时重传

    在进行TCP传输时,由于确认应答与序列号机制,也就是说发送方发送一部分数据后,都会等待接收方发送的ACK报文,并解析ACK报文,判断数据是否传输成功,如果发送完数据迟迟没雨等到接收方的ACK报文,可能有两点原因

            1.传输的过程直接丢包,导致接收方根本没有接收到

            2.接收方收到了相应的数据,但是发送的ACK报文响应却由于网络原因丢包了

    所以就需要引入超时重传机制,简单理解就是在发送方发送完数据后等待一个时间,时间到达没有ACK报文,那么对刚才发送的数据进行重新发送

    如果是第一个原因,接收方收到二次重发的数据后,便进行ACK应答

    如果是第二个原因,接收方发现接受的数据已经存在(判断依据就是序列号),那么直接丢弃,仍旧发送ACK英法

    由于TCP传输保证能够在任何环境下都有一个高性能通信,因此这个最大超时时间是动态计算的

    连接管理

    就是三次握手和四次挥手,TCP的三次握手,四次挥手

    流量控制

    TCP利用滑动窗口实现流量控制,流量控制是为了控制发送方的发送速率,保证接收方来的及时接收

    接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方的窗口大小,将窗口字段设置为0,则发送发不能发送数据

    流程

    当发送端发送数据后,接收端回复ACK与窗口大小WIN给发送端,发送端根据接收端发送的窗口大小来发送数据

            (1)发送端:写入2KB的数据[seq=0]。
            (2)接收端:收到数据,初始化接收端缓冲区4K,写入后还剩2K,于是通告ack[seq=2048,win=2048]。
            (3)发送端:接收到窗口通告为2048,于是最多只能写入2K的数据,将2K数据写入[seq=2048]。
            (4)接收端:应用层尚未消费缓冲区。接收到2K数据后,缓冲区满。于是通告窗口为0,返回ack[seq=4096,win=0]。
            (5)发送端:由于发送窗口为0,不能发送任何数据。此时发送端就需要定时的发送0字节的数据去探测接收端窗口。所需的定时器即为持续定时器(TCPT_PERSIST)。
            (6)接收端:缓冲区满,窗口通告为0,ack[seq=4096,win=0]。
            (7)发送端:继续发送0字节的探测数据。
            (8)接收端:缓冲区被应用层消费了2K,缓冲区可用字节为2K,通告窗口为2048,ack[seq=4096,win=2048]。
            (9)发送端:继续写入1K的数据。

    发送窗口

    1. Sent and Acknowledged:这些数据表示已经发送成功并已经被确认的数据,比如图中的前31个bytes,这些数据其实的位置是在窗口之外了

    2. Send But Not Yet Acknowledged:这部分数据称为发送但是没有被确认,数据被发送出去,没有接收到接收端的ACK

    3.Not Sent Recipient Ready To Receieve:允许发送但是尚未发送的数据,在缓冲区内,应该尽快发送

    4.Not Sent,Recipient Not Ready To Receive:为发送,同时接收端也不允许发送,处在窗口之外

            (1)已经发送并且对端确认(Sent/ACKed)---------------发送窗外 缓冲区外

            (2)已经发送但未收到确认数据(Sent/UnACKed)----- --发送窗内 缓冲区内

            (3)允许发送但尚未防的数据(Unsent/Inside)-----------发送窗内 缓冲区内

            (4)未发送暂不允许(Unsent/Outside)-------------------发送窗外 缓冲区内

    2,3两部分为发送窗口

    接收窗口

    接受方有三种情况,“已接收”,“未接收准备接收”,“未接收不准备接收”,其中为接收准备接收称为接收窗口

    拥塞控制

            在某段时间,若对网络中每一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分,网络的性能就要变坏,这种情况就叫拥塞

            为了进行拥塞控制,TCP发送方要维持一个拥塞窗口(cwnd)的状态变量,拥塞控制窗口的大小取决于网络的拥塞成都,并且动态变化

            发送方让自己的发送窗口取为拥塞窗口和接收方的接收窗口中较小的一个

    TCP拥塞采用了四种算法

            1.慢开始

            2.拥塞避免

            3.快重传

            4.快恢复

    网络层也可以使用路由器采用适当的分组丢弃策略,已减少网络拥塞的发生

    1.慢开始

            算法的思路是当助局开始发送数据时,如果立即把大量的数据字节注入到网络,那么可能会引起网络阻塞,因为现在还不知道网络的负荷情况

            经验表明,较好的方法是先探测一下,即由小到大逐渐增加发送窗口,也就是由小到大增加有塞窗口的数值,cwnd的初始值为1,每经过一个传播轮次,cxnd加倍

    2.拥塞避免

            目的是当拥塞发生时,降低网络的传输速率,这可以通过调用满启动的动作来降低网络的传输速率

            当超过cwnd超过ssthresh时,经过一个轮次就不是指数增加了,而是容量加一

    3.快重传

    在接受方收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认,而不要等到自己发送数据时捎带确认

    在接收到相同ACK后,推断出丢失报文段起始序号,然后立即重传此报文

    快重传规定:发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段,而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

    4.快恢复

            主要是配合快传重,当发送方连续收到三个重复确认时,就执行“乘法减小”算法,把ssthresh(慢启动阈值)门限减半(为了预防网络发生拥塞) 

     ARQ协议

    停止等待AHQ协议

            停止等待协议是为了实现可靠传输的,它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送,等待对方确认(回复ACK)。如果过了一段时间(超时时间后),还是没有收到 ACK 确认,说明没有发送成功,需要重新发送,直到收到确认后再发下一个分组。

            优点:简单

            缺点:信道利用率低,等待时间长

    连续AHQ协议

            提高信道利用率,发送方维持一个发送窗口,凡位于发送窗口内的分组可以连续发送出去,而不需要等待对方确认。接收方一般采用累计确认对按序到达的最后一个分组发送确认,表明到这个分组为止的所有分组都已经正确收到了

            优点:信道利用率高,容易实现,即使确认丢失,也不必重传。

            缺点: 不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。 比如:发送方发送了 5条 消息,中间第三条丢失(3号),这时接收方只能对前两个发送确认。发送方无法知道后三个分组的下落,而只好把后三个全部重传一次。这也叫 Go-Back-N(回退 N),表示需要退回来重传已经发送过的 N 个消息。        

    参考文章

    网络基础:TCP协议-如何保证传输可靠性_Chenxi13-CSDN博客_tcp如何保证可靠传输

    UDP与TCP对比,TCP保证可靠性传输的详细说明_来者无穷_-CSDN博客_tcp和udp哪个更安全

    美团9大高频问题和答案! 【后端】_笔经面经_牛客网

    TCP-IP详解:滑动窗口(Sliding Window)_深邃 精致 内涵 坚持-CSDN博客_滑动窗口

    TCP协议详解-滑动窗口_yuliantao的专栏-CSDN博客_tcp窗口

    TCP滑动窗口(发送窗口和接受窗口) - hongdada - 博客园

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  • 关于数据链路层和传输层提供的可靠传输的疑问和回答 传输层协议UDP,书上说不必事先建立连接,是无连接的不可靠的协议,只是尽最大努力交付,但UDP仅是传输层协议,下面还有数据链路层协议啊,该层中有超时重传,...
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  • UDP的可靠传输项目UDT(开源),采用了类似TCP的华东窗口协议

空空如也

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