System|Network|传输协议

Network Layer无法保证

• 延迟
• 到达顺序
• 确认到达
• 准确内容
• 正确地址

CSE中的E2E层表示经典层次中的Transport Layer和Application Layer。这里主要讲的是TCP。

Transport Protocol

UDP(User Datagram Protocol)

适合传输简单应用的数据，不提供其他机制

TCP (Transmission Control Protocol)

适合不适合丢包的场景，提供重传、错误检测、保证顺序

RTP (Real-time Transport Protocol)

强调速度，适合流媒体（基于UDP，对丢包比较宽容）

一般我们使用TCP处理Network Layer可能发生的错误，解决的问题如下

• Assurance of at-least-once delivery
• Assurance of at-most-once delivery
• Assurance of data integrity
• Assurance of stream order & closing of connections
• Assurance of jitter control
• Assurance of authenticity and privacy
• Assurance of end-to-end performance

Assurance of At-least-once Delivery（重传）

RTT (Round-trip time，往返时延)

to_time + process_time + back_time (ack)

包中附带随机的nonce，ack时回传nonce，如果超时，则重传（同样的nonce）。那么，超时的阈值作为多少呢？

Fixed Timer

超时多少则是Trade-off，过长则丢包处理时间太久，过短则可能没有必要。如果写成固定的值则有风险，一旦对方无法提供服务，会造成大量的轮询。（查Wisconsin Time Server Meltdown）。

Adaptive Timer

为了处理这种情况，必须根据实际情况（RTT）进行调整，但是RTT是波动的，因此必须给出一定的余量作为Timeout。

Linux Kernel中使用这段代码进行迭代。（RTT期望不是真的数学期望，1/8只是个magic number）

1. rtt_avg将当前一次的RTT和之前的RTT期望进行加权，算出目前的RTT期望。
2. dev表示波动值
3. rtt_dev将当前一次的RTT波动和之前的波动进行加权，算出目前的波动。
4. Timeout将RTT期望增加一定余量

rtt_avg = a*rtt_sample + (1-a)*rtt_avg; /* a = 1/8 */ 
dev = absolute(rtt_sample – rtt_avg); 
rtt_dev = b*dev + (1-b)*rtt_dev; /* b = 1/4 */ 
Timeout = rtt_avg + 4*rtt_dev

NAK (Negative AcKnowledgment)

否定应答，由接受者检测包的丢失，回传给发送者，由发送方重发丢失的包，而不用Timer机制。

Assurance of At-most-once Delivery（处理重复重传）

1.维护nonce表：空间浪费+时间浪费

2.允许重复请求（要求幂等）：时间浪费

这个问题没有完美的解法，因为接收方不知道发送方是否还会重传，这些nonce表必须保留，导致无止境增长。一种方法是超过一定时间后失效（但是会导致可能发生at-least-once错误），另一种是每次重启后清空表。

所以幂等性很重要！

Assurance of data integrity（校验码）

Checksum

Assurance of stream order & closing of connections（处理乱序）

Segment contains ID for where it fits

–E.g., "message 914, segment 3 of 7"

按序收包，乱序则存在buffer里，buffer满了则丢弃

滑动窗口

每个时刻只接受顺序在一定范围内的包，超范围则丢弃。如果最前的包收到了，那么窗口后移

Assurance of jitter control(延迟抖动）

方法：延迟所有到达的segment，作为缓冲。Dheadway是平均延迟，也就是说，池子中的segment，能支撑最大的抖动（Dlong并不是最大，但是超过99%）

Assurance of authenticity and privacy（加密）

使用公钥和私钥，对称密钥加密技术，公钥加密的只有使用私钥才能解读（由我READ），私钥加密的只有公钥才能解读（由我WRITE）

Assurance of end-to-end performance(握手）

并不等待所有包都传输完成，而是包成功传输后，窗口就进行滑动。注意，如果窗口开头的包传送失败，那么窗口不会向前滑动，而是等待这个包重传成功。

例如传送2-6,2失败，那么会等待2传送完后，直接跳到7-11，以保证其连续性

Fixed Window VS Sliding Window

window size ≥ RTT × bottleneck data rate以确保性能

TCP Congestion Control

由于堵塞时，重传次数会增加，性能会更加下降。因此window不能太大，否则重传会导致window卡住很久。

window size ≤ min(RTT x bottleneck data rate, Receiver buffer)以防止堵塞

TCP使用下面的算法迭代window size

AIMD (Additive Increase, Multiplicative Decrease)

每一次成功，window size ++（注意刚开始避免增速太慢使用*=2）

每一次丢包， window size / = 2

使用这种算法能够快速收敛到Fairness，也就是相同RTT两者的资源占用量尽可能公平

但是如果丢包频率高（信号不好时），尽管receiver没什么问题，window仍然会很小，导致性能受限，因此有很多新的协议。