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  第38题      
  知识点:   TCP可靠传输   TCP   计时器
  章/节:   Internet 协议       

 
TCP可靠传输机制为了确定超时计时器的值,首先要估算RTT,估算RTT采用如下公式,估算RTTs(1-a)×(估算RTTs)+a×(新的RTT样本),其中a的值取为( )。
 
 
  A.  1/8
 
  B.  1/4
 
  C.  1/2
 
  D.  1/16
 
 
 

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   知识点讲解    
   · TCP可靠传输    · TCP    · 计时器
 
       TCP可靠传输
        TCP是可靠的传输层协议。这就表示,应用进程把数据交给TCP后,TCP就能无差错地交给目的端的应用进程。TCP使用差错控制机制保证数据的可靠传输,TCP的差错控制机制主要是确认和重传。在介绍TCP差错控制机制之前,下面介绍一下TCP的字节编号。
               字节编号和确认
               前面提到过,TCP提供面向连接的字节流传输服务,也就是说,TCP协议将要传送的数据看成是一个个字节组成的字节流,而且接收方返回给发送方的确认是按字节进行的,而不是按报文段进行。
               每个TCP连接传输字节流数据的第一个字节序号是建立TCP连接时初始序号加1。
               假设某条TCP连接要传送5000字节的文件,分为5个TCP报文段进行传送,每个TCP报文段携带1000字节,TCP对第一个字节的编号从10001开始(假设TCP连接建立随机选择的初始序号x为10000,而数据传送开始序号则从10001开始,也就是说,TCP连接建立过程要用掉一个序号)。那么每个TCP报文段的字节编号如下所示:报文段1的字节序号为10001(范围是从10001~11000);报文段2的字节序号为11001(范围是从11001~12000);报文段3的字节序号为12001(范围是从12001~13000);报文段4的字节序号为13001(范围是从13001~14000),报文段5的字节序号为14001(范围是从14001~15000)。
               TCP采用差错控制机制是字节确认,一般情况下,接收方确认已收到最长的连续的字节计数,TCP报文的每个确认序号字段指出下一个希望接收到的字节,实际上就是对已经收到的所有字节的确认。
               字节确认的优点是即使确认丢失也不一定导致发送方重传。下面来看一个例子,假设接收方TCP发送的ACK报文段的确认序号是1801,表明字节编号为1800前的所有字节都已经收到。如果接收方TCP前面已经发送过确认序号为1601的ACK报文段,但是如果确认序号为1601的这个ACK报文段丢失,也不需要发送方TCP重发这个报文段,这就是所谓的“累计确认”。
               超时重传和重传定时器
               发送方TCP为了恢复丢失或损坏的报文段,必须对丢失或损坏的报文段进行重传。事实上,发送方TCP每发送一个TCP报文段,就启动一个重传定时器,如果在规定的时间之内没有收到接收方TCP返回的确认报文,重传定时器超时,于是发送方重传该TCP报文。
               影响超时重传最关键的因素是重传定时器的定时宽度,但确定合适的宽度是一件相当困难的事情。因为在因特网环境下,不同主机上的应用进程之间的通信可能在一个局域网上进行,也可能要穿越多个不同的网络,端到端传输延迟的变化幅度相当大,发送方很难把握从发送数据到接收确认的往返时间(Round Trip Time,RTT)。为解决上述问题,TCP采用了一种适应性重传算法。下面将描述这个算法并讨论它的改进过程。
               超时重传时间计算算法
               TCP采用下面算法计算超时重传时间。
               原始算法的大致思想是,动态维持往返时延(Round Trip Time,RTT)的平均值,然后把TCP重传定时器的值设为RTT的函数。每当TCP发送一个报文段时,它就记录下发送时刻。当该报文段的ACK回来时,TCP记录下ACK返回时刻,同时把ACK返回时刻和TCP报文发送时刻之间的时间差记为SampleRTT。接着,TCP在前一次的RTT估算值EstimatedRTT和当前的新采样值SampleRTT之间通过加权求和计算出新的RTT估算值EstimatedRTT。具体公式如下:
               EstimatedRTT=α×EstimatedRTT+(1-α)×SampleRTT
               其中,0≤α≤1,α因子决定了EstimatedRTT对延迟变化的反应速度。当α接近1时,当前的采样值SampleRTT对RTT估算值EstimatedRTT几乎不起作用;而当α接近0时,RTT估算值EstimatedRTT紧随延迟的变化而变化,直接采用当前的采样值SampleRTT作为新的RTT估算值EstimatedRTT。作为折中,TCP协议规范推荐α取值为0.8~0.9。
               TCP重传定时器的值通过下列公式计算出来:
               TimeOut=β×EstimatedRTT
               当β接近1时,TCP能迅速检测到报文丢失并及时重传,从而减少等待时间,但可能引起许多不必要的重传。当β太大时,重传报文的数目减少,但等待确认的时间增加。作为折中,TCP协议规范推荐β取2。
               例如,当α取0.9,β取2时,而且当前的EstimatedRTT等于250μs,而现在发送一个报文段并且收到确认的SampleRTT是70μs,则有如下结果:
               EstimatedRTT=0.9×250+0.1×70=232μs
               TimeOut=2×232=464μs
 
       TCP
        TCP是面向连接的通信协议,通过三次握手建立连接,通信完成时要拆除连接,由于TCP是面向连接的,所以只能用于端到端的通信。
        TCP提供的是一种可靠的数据流服务,采用“带重传的肯定确认”技术实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制,所谓窗口,实际表示接收能力,用以限制发送方的发送速度。
        如果IP数据包中有已经封装好的TCP数据包,那么IP将把它们向“上”传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查,同时实现虚电路之间的连接。TCP数据包中包括序号和确认,所以未按照顺序收到的包可以被排序,而损坏的包则可以被重传。
        TCP将它的信息发送到更高层的应用程序,例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层,TCP层便将它们向下传送到IP层、设备驱动程序和物理介质,最后传送到接收方。
        面向连接的服务(例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP)需要高度的可靠性,所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP(发送和接收域名数据库),但使用UDP传送有关单个主机的信息。
 
       计时器
        计时器是实时嵌入式系统的一个组成部分。时间轮转调度算法、存储器定时刷新、网络数据包的超时重传以及目标机监视系统的时序等都严格依赖于计时器。许多嵌入式系统用不同形式的计时器来驱动时间敏感的活动,即硬件计时器和软件计时器。硬件计时器是从物理计时芯片派生出来的,超时后可以直接中断处理器,硬件计时器对精确的延迟操作具有可预测的性能。而软件计时器是通过软件功能调度的软件事件,能够对非精确的软件事件进行有效的调度,使用软件计时器可以减轻系统的中断负担。
        这里有几个相关概念,需要考生了解:
        (1)实时时钟:存在于嵌入式系统内部,用来追踪时间、日期的硬件计时设备。
        (2)系统时钟:用来追踪从系统加电启动以来的事件时间或流失时间,可编程的间隔计时器驱动系统时钟,计时器每中断一次,系统时钟的值就递增一次。
        (3)时钟节拍:它也称为时钟滴答,是特定的周期性中断。中断之间的间隔取决于不同的应用,一般在10ms~200ms之间。而且时钟节拍率越快,系统的额外开销就越大。
        (4)可编程计时器:一般是集成在嵌入式系统内部的专门计时硬件,用做事件计数器、流失时间指示器、速率可控的周期事件产生器等。使用独立的硬件计时器可以有效地降低处理器的负载。
        (5)软件计时器:它是应用程序安装的计数器,每次时钟中断,会递减一次,当计数器到达0时,应用的计时器超时,系统会调用安装的超时处理函数进行有关处理。
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