CN112688876B - 一种tcp拥塞快速恢复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TCP拥塞快速恢复的方法，包括：步骤1，发送端对接收的NEW ACK报文预处理，记录期望序列号和丢失TCP段长度；判断本次与上次记录的期望序列号是否相同，若不同，则执行步骤2；若相同，但丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，计数器加1，并执行步骤3；步骤2，确认出现丢失多个不连续数据段，重传请求的丢失的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；步骤3，通过计数器值判断若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录。该方法解决了TCP应对丢包时盲目重传和不连续丢多包时频繁进入拥塞避免流程造成的带宽浪费，提高了TCP对网络的利用率。

Description

一种TCP拥塞快速恢复的方法

技术领域

本发明涉及数据通信领域，尤其涉及一种TCP拥塞快速恢复的方法。

背景技术

由于网络能提供的资源不足以满足日益增长的用户需求，这些资源包括：缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力，且互联网的设计机制导致其缺乏“接纳控制”能力，因此在网络资源不足时不能限制用户数量，而只能靠降低服务质量来继续为用户服务，拥塞的产生也就不可避免了。为了防止网络的拥塞现象，TCP(传输控制协议，TransmissionControl Protocol)提出了一系列的拥塞控制机制。最初由V.JACOBSON在1988年的论文中提出的TCP的拥塞控制由“慢启动(SLOW START)机制”和“拥塞避免(CONGESTIONAVOIDANCE)机制”组成，后来TCP RENO版本中又针对性的加入了“快速重传(FASTRETRANSMIT)机制”、“快速恢复(FAST RECOVERY)机制”，再后来在TCP NEWRENO中又对“快速恢复机制”进行了改进，近些年又出现了选择性应答(SELECTIVE ACKNOWLEDGEMENT,SACK)机制。

其中，快速重传机制是当接收方收到的数据包是不正常的序列号，那么接收方会重复将应该收到的那一条ACK重复发送，这个时候，如果发送方收到连续3条的同一个序列号的ACK，那么就会启动快速重传机制，将这个ACK对应的TCP段和后面的数据重新传输一遍。虽然相比慢重传机制检测拥塞方法效率更高。但快速重传机制存在的缺点是：即使丢失的是单包，也会对后续大量的未丢失的数据段进行重传，进而造成带宽的浪费。

在上述快速重传机制后加入了快速恢复机制，是当收到3个重复ACK时，TCP最后进入的不是拥塞避免阶段，而是快速恢复阶段；快速重传和快速恢复机制一般同时使用。快速恢复的思想是“数据包守恒”原则，即同一个时刻在网络中的数据包数量是恒定的，只有当“老”数据包离开了网络后，才能向网络中发送一个“新”的数据包，如果发送方收到一个重复的ACK，那么根据TCP的ACK机制就表明有一个数据包离开了网络，TCP就从ACK的位置开始重传3个TCP的片段。但快速恢复机制存在的缺点是：其重传方案存在一定的盲目性，主要是因为确定快速重传发生的判断机制的3个重复ACK，并未能明确显示出接收端所丢失的是哪段TCP段，尽管减少了不必要的数据段的重传，但无法应对多数据段丢失的情况，如果丢失的数据段超过三片TCP段便会频繁的进行快速恢复，影响传输效率。

选择性应答机制(下文称FAK机制)是基于快速重传机制和快速恢复机制的缺陷提出的，近年来提出了SACK机制，SACK就是改变TCP的确认机制，最初的TCP只确认当前已连续收到的数据，SACK则把乱序等信息也全部告诉对方，从而解决数据发送方重传的盲目性。比如说序号1，2，3，5，7的数据收到了，那么普通的ACK只会确认序列号4，而SACK会将当前的5，7已经收到的信息在SACK选项里面告知对端，从而提高性能，当使用SACK的时候，快速恢复机制可以不使用，因为SACK本身携带的信息就可以使发送方有足够的信息来知道需要重传哪些包，而不需要重传哪些包。

(1)SACK允许选项：SACK允许选项格式如图2所示：它的工作机制类似于窗口扩大选项和事件戳选项，只能应用于SYN报文段，在连接建立阶段，主动发起连接的一方在它的SYN中指定选项，只有在它从另一方的SYN中收到了这个选项之后，FAK机制才会被允许。

(2)SACK选项：SACK选项的格式如图3所示：该选项长度可变，但由于整个TCP选项长度不超过40字节，所以实际最多不超过4组边界值。该选项参数告诉发送哪些报文段是已经接收到并缓存的不连续的报文段，发送方可根据此信息检查究竟是哪个块丢失，从而发送相应的报文段。SACK报文格式字段的含义如下：LEFTEDGEOFBLOCK字段表示：不连续块的第一个报文段的序列号；RIGHTEDGEOFBLOCK字段表示：不连续块的最后一个报文段的序列号之后的序列号。

该选择性应答机制存在的缺点是:由于提供携带多个不连续段的报文支持，但不连续段报文的收取是需要时间成本的，而TCP传输过程是对时间敏感的，且报文到了发送方需要重新计算需要重传的数据段范围，存在实施方案复杂的问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种TCP拥塞快速恢复的方法，能解决现有传输控制协议的选择性应答机制，所存在的报文到了发送方需要重新计算需要重传的数据段范围，存在实施方案复杂的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，包括：

步骤1，发送端对接收到的NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

所述NEW ACK报文为：当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，向所述发送端发送的通知用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；

步骤3，若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。

本发明实施方式还提供一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文向发送端发送通知；

使所述发送端根据所述NEW ACK报文按以下步骤进行处理，包括：

步骤1，发送端对接收到的所述NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；

步骤3，通过所述计数器的计数值判断若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的TCP拥塞快速恢复的方法，其有益效果为：

该方法中，当发送端收到3个重复ACK时，TCP同样进入的不是拥塞避免阶段，而是快速恢复阶段；最初的确认机制只携带丢失数据的开始序列号，通过本发明方法的拓展可携带丢失的数据的长度，对于丢失单包时仅需重传丢失的单包，提高了重传的效率；对于多个不连续的报文丢失，会采用应急机制，第二个丢失报文的NEW ACK触发第一个丢失报文的重传，减少了不必要的等待，进一步提高了重传的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有TCP正常应答的ACK报文格式示意图；

图2为现有SACK选项在SYN报文中的格式示意图；

图3为现有SACK报文格式示意图；

图4为本发明实施例提供的TCP拥塞快速恢复的方法中的NEW ACK报文格式示意图；

图5为本发明实施例提供的报文接收端的处理流程图；

图6为本发明实施例提供的方法的报文发送端的处理流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

参见图6，本发明实施例提供了一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，说明了在TCP网络拥塞时，在发送端如何处理，进而实现快速恢复的方法，包括：

步骤1，发送端对接收到的NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

所述NEW ACK报文为：当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，向所述发送端发送的通知用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度(即本次NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度)；

步骤3，通过所述计数器的计数值判断(即计数器的计数值为3)若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。参见图2，上述方法中，NEW ACK报文的格式为：TCP头部的保留位6被用于标识该ACK为NEW ACK报文，其所携带的TCP头后携带的是丢失的TCP段长度。

本发明实施例还提供了一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，说明了在TCP网络拥塞时，在接收端如何处理，进而配合发送端实现快速恢复的方法，具体为：

当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文向发送端发送通知；

使所述发送端根据所述NEW ACK报文按以下步骤进行处理，包括：

步骤1，发送端对接收到的所述NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；

步骤3，通过所述计数器的计数值判断(即计数器的计数值为3)若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。

参见图2，上述方法中，NEW ACK报文的格式为：TCP头部的保留位6被用于标识该ACK为NEW ACK报文，其所携带的TCP头后携带的是丢失的TCP段长度。

本发明的方法中，当发送端收到3个重复ACK时，TCP同样进入的不是拥塞避免阶段，而是快速恢复阶段；现有的确认机制只携带丢失数据的开始序列号，通过本发明的方法，采用拓展的NEW ACK报文能同时携带丢失TCP段长度，即丢失数据的长度，对于丢失单包时仅需重传丢失的单包，提高了重传的效率；对于多个不连续的报文丢失，会采用应急机制，第二个丢失报文的NEW ACK报文触发第一个丢失报文的重传，减少了不必要的等待，进一步提高了重传的效率。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

建立TCP连接：

连接建立阶段TCP的SYN报文中携带如图2所示的选项，表明该连接使用NEW ACK机制；图2所示选项只在SYN报文中出现；

未开启该功能的连接ACK报文如图1所示。开启后只有在出现拥塞才会有如图4所示的NEW ACK报文；其中TCP头部的保留6位会被用于标识该ACK为NEW ACK报文，其所携带的TCP头后携带的是丢失TCP段长度，该NEW ACK报文的其它字段与传统的ACK报文基本相同。

接收端的处理：

参见图5，TCP的接收端若收到序列号(M+N)大于期望值的报文(图5中步骤S1)，则通过NEW ACK报文通知发送端(携带期望序列号M和丢失TCP段长度N)(图5中步骤S2)，否则进行正常应答流程(图5中步骤S3)。

发送端的处理：

参见图6，步骤1，发送端接收到从接收端发来的NEW ACK报文并进行预处理，记录NEW ACK报文携带的期望序列号M和丢失TCP段长度N，判断上一次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否有与本次记录的期望序列号M和丢失TCP段长度N完全相同的值，如果本次记录的期望序列号M与上一次记录的期望序列号不同，则按照步骤2进行处理；如果本次记录的期望序列号M与上一次记录的期望序列号相同,但是本次记录的丢失TCP段长度N与上一次记录的丢失TCP段长度不同，更新丢失TCP段长度N，并将计数器加1，即NUM++(图6中步骤4)，跳至步骤3进行处理；

步骤2，确认出现丢多个不连续片段的情况，此时直接重传NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度，记录新的期望序列号M值和丢失TCP段长度N值；

步骤3，通过所述计数器的计数值判断若发送端接收三次相同的NEW ACK报文，则确认传输过程丢包，开始精准重传期望序列号M到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段(即M到M+N的数据段)，清空记录的M、N和计数NUM。

本实施例的方法，通过利用能明确表达丢失TCP片段的NEW ACK报文，通过快速判断单包丢失并进行准确重传以及对多包丢失时快速重传，解决了TCP应对丢包时盲目重传和不连续丢多包时频繁进入拥塞避免流程造成的带宽浪费，进一步提高了TCP对网络的利用率。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，其特征在于，包括：

步骤1，发送端对接收到的NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

所述NEW ACK报文为：当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，向所述发送端发送的通知用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；

步骤3，通过所述计数器的计数值判断若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。

2.根据权利要求1所述的TCP网络拥塞快速恢复的方法，其特征在于，所述NEW ACK报文的格式中，TCP头部的保留6位被用于标识该ACK为NEW ACK报文，其所携带的TCP头后携带的是丢失的TCP段长度。

3.一种TCP网络拥塞快速恢复的方法，其特征在于，

当接收端收到序列号大于期望值的TCP报文时，用携带有期望序列号和丢失TCP段长度的NEW ACK报文向发送端发送通知；

使所述发送端根据所述NEW ACK报文按以下步骤进行处理，包括：

步骤1，发送端对接收到的所述NEW ACK报文进行预处理，记录所述NEW ACK报文携带的期望序列号和丢失TCP段长度；

判断本次记录的期望序列号和丢失TCP段长度与上次记录的期望序列号和丢失TCP段长度是否相同，若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号不同，则执行步骤2；若本次记录的期望序列号与上次记录的期望序列号相同，但本次记录的丢失TCP段长度与上次记录的丢失TCP段长度不同，则更新丢失TCP段长度，将计数器的计数值加1，并执行步骤3；

步骤2，确认为出现丢失多个不连续数据段的状态，直接重传所述NEW ACK报文请求的丢失TCP段长度的数据段，并记录新的期望序列号和丢失TCP段长度；

步骤3，若接收三次相同的NEW ACK报文，确认传输过程丢包，则开始向所述接收端精准重传从期望序列号到期望序列号加丢失TCP段长度的数据段，并清空记录的期望序列号、丢失TCP段长度和计数器。

4.根据权利要求3所述的TCP网络拥塞快速恢复的方法，其特征在于，所述NEW ACK报文的格式为：

TCP头部的保留位6被用于标识该ACK为NEW ACK报文，其所携带的TCP头后携带的是丢失的TCP段长度。

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