网络协议分析与编程-07_传输控制协议TCP

第7章传输控制协议TCP
要求：
1. 掌握TCP的可靠性机制：确认、重传、序号；
2. 掌握TCP的流控和提高传输效率策略：滑动窗口机制；
3. 掌握TCP连接的建立与关闭协议：三次握手；
4. 掌握TCP的报文段格式；
5. 掌握TCP的拥塞控制技术；
6. 掌握TCP避免糊涂窗口综合症的技术；
7. 了解紧急数据发送和强迫数据发送。

7.1 概述
要实现可靠的数据流传输服务，
必须解决哪几个问题？
1.可靠性：
①防丢失：确认与重传；
②防重复：报文段序号；
2.传输效率、流量控制：滑动窗口机制；
3.拥塞控制：加速递减与慢启动技术；
4.建立连接：三次握手协议；
5.关闭连接：改进的三次握手协议。

可靠传输服务有哪些特点?
①面向数据流；
②虚电路连接；
③有缓冲的传输；
④无结构的数据流；
⑤全双工连接。

7.2 提供可靠性
①接收方收到
数据接收方
两个问题:
定时器时限设置多长？
2. 防重复–可捎带的累计确认技术
①为每一分组赋予序号。

②确认时也指明确认哪个分组。

③序号同时保证了分组间的正确顺序。

3. RTT与重传定时器
问题：超时重传，如何设置定时器的时限？
两个概念：
①RTT：往返时间，报文段发出到收到确认信息间的时间段。

②自适应重传算法：监视每个连接的性能，由此推算出合适的定时时限。

当连接的性能变化时，随时修改定时时限。

重传定时时限的计算方法：
①早期的方法
②改进的方法
③Karn算法和定时器补偿
（1）早期的方法
R：RTT的估计值
M：本次测量的RTT值
RT0：定时时限
修改估计值:R ←αR + （1-α）M
（0≤α<1，通常取α=0.9）
计算时限:RT0 = βR
（β早期取2，后改为4）
缺陷:在RTT变化较大的场合，说明网络某处处于拥塞状态，但上述方法对此反映不敏感，从而造成不必要的重传，进一步加重网络负担。

（2）改进的方法
R：
M：本次测量的RTT值
RT0：定时时限
Diff：差值
Dev ：平均偏差的估计值
Diff ←M -R
R ←R + δ*Diff
Dev ←Dev +ρ*(|Diff| -Dev) （Dev RT0 ←R +η*Dev
δ、ρ在0—1之间，通常取：
δ= 1/23，ρ= 1/22，η= 22
（3）Karn算法和定时器补偿
确认二义性：
哪一次传输的确认无法确定。

结果：RTT样本值无法使用；
Karn算法：
思想：当超时重传发生时，不再更新
忽略重传样本。

定时器补偿：
超时重传发生，加大定时时限：
（γ通常取2，即指数避退）。

对重传分组的后续分组，定时时限不变，直到获得一个新的有效样本时再更改时限值。

7.3 传输效率和流量控制-滑动窗口机制1.一般的滑动窗口机制
的确认未到时，则暂停发送。

不能发送
3. TCP端到端流量控制-窗口大小可变技术
时机：
发送窗口，初
7.4 糊涂窗口综合症SWS
1.什么是SWS？
接收方的小窗口通告造成发送方发送一系列小的报文段，严重浪费网络带宽。

2.启发式的避免策略：
接收方：
（1）避免小窗口通告，在零窗口通告之后，只在可用缓冲区显著增加（缓冲区空间的一半或一个MSS）后才发送新的窗口通告
（2）推迟确认（最多500ms），
SWS策略所需的尺寸时，不确认。

为了使发送方正确估计RTT，至少每隔一个报文段要进行正常的确认。

发送方：
Nagle算法:
（2）当缓冲区中数据不足一个报文段，则推迟发送。

等到一个确认来到（确认触发）时，发送缓冲区中的小报文段。

问题：可能出现死锁吗？
确认丢失。

3.说明
①Nagle算法的两个优点：
自适应：确认到达得越快，数据也就发送得越快；
计算简单：不需要定时器。

②可关闭Nagle算法，应用程序接口一般提供选项TCP-NODELAY来关闭Nagle算法。

7.5 TCP拥塞控制技术
拥塞：交换节点（如路由器）数据报负载过重的现象。

回顾：IP层的拥塞控制技术：
（ICMP源站抑制报文），是一种被动机制。

TCP拥塞控制的必要性：在TCP
时延增加，这又会造成超时重传，控制不当会进一步加重拥塞。

TCP采用了一种主动控制机制。

7.6 TCP报文
紧急指针
首部长度：
序号：
确认号：希望接收的对方下一报文段序号
到的数据字节序+1)
说明：
(1)序号和确认序号在一起使得确认可捎带进行。

(2)TCP采用累计确认策略。

问题：采用累计确认，确认丢失不一迫使发送方重传，为什么？
(3) TCP采用经受时延的确认（时延一般为
缺点：发送方无法收到所有成功传输的报文段的确认信息，对往返时间样本的精确测量带来影响。

窗口：
码元比特（标识报文段的目的与内容）：
选项：
选项：
窗口定义从16bit扩大到32bit。

时间戳选项：
发送方填
解决：TCP为每个连接保留一个时间戳数值。

1. TCP设置两个变量：
（1）tsrecent:每个连接的时间戳数值；
（2）lastack: 最后发送的ACK的确认序号；
2. 当包含lastack的报文段到达时，其中的时间戳被保存至tsrecent；
3. 无论何时发送确认，tsrecent将被写入时间戳回显应答字段，确认序号则被保存到lastack。

字节的两个报文段到
7.7 TCP连接的建立与关闭功能:
始序列号)协商(不能为
说明：
网点1网点2
②TCP提供了半关闭
一个DOS命令：Netstat
Active Connections
Proto Local Address Foreign Address State
TCP koukou:1056 202.196.56.240:https ESTABLISHED
Netstat–o:列出与每个端口相关的进程
Netstat–r:显示路由表
7.8 紧急数据和强迫数据发送1. 紧急数据发送和带外数据
2. 强迫数据发送
应用背景：
通常，TCP为提高网络利用率，在缓冲区中积累够一个最大报文段容量的数据后才发送。

在交互环境或实时性要求高的场合，每条命令（甚至每个字符）希望及时传送。

供推（PUSH）操作，以强迫发送当前数据流中的数据而不必等待缓冲区满。

应用方式：
发送方将PSH置“1”，以通知接收方尽快把该报文段数据交应用程序。

7.9TCP的定时器
1. 重传定时器：
设定丢失重传的时间间隔。

2. 坚持定时器
在接收方发出‘0’窗口通告后，发送方为了防止死锁发生，用一个坚持定时器周期性地向接收方发送窗口探察报文，防止“0”窗口通告后窗口恢复通告丢失后造成死锁。

3. 保活定时器（间隔：2小时）
在服务器端检测半开放的连接。

如果一个给定的连接在两个小时内没有任何动作，则服务器会向客户端发送一个探察报文段，根据响应情况进行处理。

客户机可能的四种状态：
①客户机正常工作，并从服务器可达：
定时器复位；若期间有通信，通信后2小时再复位；
②客户机崩溃：服务器连续发10个探察报文，回应超时时间间隔设置为75秒，若始终没有回应，则终止连接；
③客户机崩溃后重新启动：服务器收到
文，终止连接；
④客户机正常工作，但从服务器不可达：
7.11 TCP攻击实例
H冒充B攻击A
1. IP欺骗：
2. TCP端口扫描
TCP实现的基本规则：
①全连接扫描
扫描主机用三次握手与目的机指定端口建立正规连接。

实现方式：connect( )函数调用，若端口打开则连接成功，否则失败。

优点：实现简单
缺点：很容易被发现，目前通常被禁止
②半开扫描(SYN扫描)
(1)发SYN报文到目的主机的目标端口
(2)若目标返回SYN+ACK，则端口开放，否则回
(3)若端口开放，则发送RST给目标，从而终止连接
半开的含义：全连接尚未建立
缺点：不能用socket编程实现，优点：
③Fin扫描
(1)发送FIN报文到目标主机的目标端口
(2)若返回RST，则端口关闭，否则端口打开缺点：不能用socket编程实现，
优点：不容易被发现
3.SYN Flood （DoS、DDoS）
（1）TCP服务器的设计
并发特性：可处理多个呼入连接请求！每到达一个请求，调用一个进程处理。

Berkeley的服务器TCP实现规则：
◆设置长度固定的连接队列，其中的连接已被
受，但没有被应用接受；TCP接受连接是将其写入该队列，应用层接受该连接是将其从队列中移出。

◆应用层指明队列的最大长度
◆连接请求（SYN）到达时，若队列中还有空间，则接收这个连接并确认；
◆若无空间，不理会该请求，也不作回应。

（2）SYN Flood的原理
发送大量伪造的TCP请求，填满呼入请求队列，则服务器无法响应正常的连接请求，并且
最终被耗尽。