TCP/IP 收发数据

将消息交给协议栈

当控制流程从connect回到应用程序之后,接下来就进入数据收发阶段了。数据收发操作是从应用程序调用write将要发送的数据交给协议栈开始的,协议栈收到数据后执行发送操作,这一操作包含如下要点。

首先,协议栈并不关心应用程序传来的数据是什么内容。应用程序在调用write时会指定发送数据的长度,在协议栈看来,要发送的数据就是一定长度的二进制字节序列而已。

其次,协议栈并不是一收到数据就马上发送出去,而是会将数据存放在内部的发送缓冲区中,并等待应用程序的下一段数据。一次将多少数据交给协议栈是由应用程序自行决定的,协议栈并不能控制这一行为。在这样的情况下,如果一收到数据就马上发送出去,就可能会发送大量的小包,导致网络效率下降,因此需要在数据积累到一定量时再发送出去。至于要积累多少数据才能发送,不同种类和版本的操作系统会有所不同,不能一概而论,但都是根据下面几个要素来判断的。

第一个判断要素是每个网络包能容纳的数据长度,协议栈会根据一个叫作MTU的参数来进行判断。MTU表示一个网络包的最大长度,在以太网中一般是1500字节。MTU是包含头部的总长度,因此需要从MTU减去头部的长度,然后得到的长度就是一个网络包中所能容纳的最大数据长度,这一长度叫作MSS。

MTU:一个网络包的最大长度,以太网中一般为1500字节。
MSS:除去头部之后,一个网络包所能容纳的TCP数据的最大长度。

对较大的数据进行拆分

HTTP请求消息一般不会很长,一个网络包就能装得下,但如果其中要提交表单数据,长度就可能超过一个网络包所能容纳的数据量,比如在博客或者论坛上发表一篇长文就属于这种情况。这种情况下,发送缓冲区中的数据就会超过MSS的长度,这时我们当然不需要继续等待后面的数据了。发送缓冲区中的数据会被以MSS长度为单位进行拆分,拆分出来的每块数据会被放进单独的网络包中。

使用ACK号确认网络包已收到

根据网络包平均往返时间调整ACK号等待时间

TCP会在发送数据的过程中持续测量ACK号的返回时间,如果ACK号返回变慢,则相应延长等待时间;相对地,如果ACK号马上就能返回,则相应缩短等待时间。

使用窗口有效管理ACK号

ACK与窗口的合并

要提高收发数据的效率,还需要考虑另一个问题,那就是返回ACK号和更新窗口的时机。如果假定这两个参数是相互独立的,分别用两个单独的包来发送,结果会如何呢?

首先,什么时候需要更新窗口大小呢?当收到的数据刚刚开始填入缓冲区时,其实没必要每次都向发送方更新窗口大小,因为只要发送方在每次发送数据时减掉已发送的数据长度就可以自行计算出当前窗口的剩余长度。因此,更新窗口大小的时机应该是接收方从缓冲区中取出数据传递给应用程序的时候。这个操作是接收方应用程序发出请求时才会进行的,而发送方不知道什么时候会进行这样的操作,因此当接收方将数据传递给应用程序,导致接收缓冲区剩余容量增加时,就需要告知发送方,这就是更新窗口大小的时机。

那么ACK号又是什么情况呢?当接收方收到数据时,如果确认内容没有问题,就应该向发送方返回ACK号,因此我们可以认为收到数据之后马上就应该进行这一操作。

如果将前面两个因素结合起来看,首先,发送方的数据到达接收方,在接收操作完成之后就需要向发送方返回ACK号,而再经过一段时间[插图],当数据传递给应用程序之后才需要更新窗口大小。但如果根据这样的设计来实现,每收到一个包,就需要向发送方分别发送ACK号和窗口更新这两个单独的包[插图]。这样一来,接收方发给发送方的包就太多了,导致网络效率下降。

因此,接收方在发送ACK号和窗口更新时,并不会马上把包发送出去,而是会等待一段时间,在这个过程中很有可能会出现其他的通知操作,这样就可以把两种通知合并在一个包里面发送了。举个例子,在等待发送ACK号的时候正好需要更新窗口,这时就可以把ACK号和窗口更新放在一个包里发送,从而减少包的数量。当需要连续发送多个ACK号时,也可以减少包的数量,这是因为ACK号表示的是已收到的数据量,也就是说,它是告诉发送方目前已接收的数据的最后位置在哪里,因此当需要连续发送ACK号时,只要发送最后一个ACK号就可以了,中间的可以全部省略。当需要连续发送多个窗口更新时也可以减少包的数量,因为连续发生窗口更新说明应用程序连续请求了数据,接收缓冲区的剩余空间连续增加。这种情况和ACK号一样,可以省略中间过程,只要发送最终的结果就可以了。

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