这是我在Coursera上的学习笔记。课程名称为《Computer Networks》，出自University of Washington。

由于计算机网络才诞生不久，目前正在以高速在发展，所以有些旧的教材可能都已经跟不上时代了。这门课程在2013年左右录制，知识相对还是比较新的。覆盖了计算机网络中的各个协议层，从物理层到应用层都讲得非常仔细。学完这门课程之后对计算机网络会有比较深刻的了解。

• 概述

  • 课程位置

    • 关于传输层和网络层的上半部分

  • 话题

    • 阻塞就类似于显示生活中的堵车

  • 阻塞CONGESTION的本质

    • 路由器或者交换机都有输入输出的缓冲

    • 在一个路由器或者交换机中，如果有很多端口持续地向同一个端口发送数据，缓冲区就会被填满，从而导致大量丢包。这就是阻塞。

  • 阻塞造成的影响

    • 见图

    • 当阻塞发生的时候，发送速度会明显减小。网络延迟会明显增大

  • 带宽分配

    • 就是给发送者分配合理的带宽。这是是一项很重要的任务。

    • 好的分配应该是高效的，公平的。高效意味着没有阻塞发生。公平意味者每个发送者都能享受到带宽。

    • 关键问题：高效的方案需要网络层和传输层共同参与。因为网络层能够察觉到拥塞，而只有传输层才能控制流量

    • 为什么带宽分配很难呢

      • 发送方的负载一直在变化

      • 接收方的承受能力在不同的网络也是不同的

      • 网络是分布式的，没有人知道整个网络的状态

    • 解决方案

      • 发送方根据自己察觉到的情况自动作出相应调整

      • 设计调整策略，从而使得网络的使用率最高效最公平

      • 调整是一直在进行的动作，因为负载每时每刻都在变化

  • 话题

    • 阻塞的本质

    • 公平分配带宽

    • AIMD控制法则

    • TCP阻塞控制历史

    • ACK时钟

    • TCP慢启动

    • TCP快速重传

    • ECN阻塞规避
      

• 带宽公平分配

  • 话题

    • 什么是公平的带宽分配

  • 回忆

    • 好的带宽分配意味着公平和高效

    • 实际应用中，高效比公平更重要

  • 高效和公平的比较

    • 高效和公平不能兼得

    • 举例。假设现在有这样的网络流量：A->B    B->C    A->B->C

    • 先考虑公平。A->B 1/2，B->C 1/2，A-C 1/2，这种情况下网络使用率只能达到 1.5

    • 再考虑高效。A->B 1，B->C 1，A->C 0。这种情况下网络使用率达到2

  • 什么才算公平

    • 公平的目的是避免某些节点没有分配到资源，导致“饥饿”

    • 所以每个数据流分配相同的带宽是最公平的

  • 每个数据流分配相同的带宽

    • 网速的瓶颈在于最慢的链路

    • 瓶颈的存在意味着有些链路速度快，有些链路速度慢。这种情况下平均分配带宽是不可能的。

  • max-min公平分配

    • 增加一个流量的同时一定会减少另一个流量

    • 网络流量就像水流

    • 步骤

      • 每个数据流的速度都以0起步

      • 逐渐增加数据流的速度直到某个数据流的速度达到了瓶颈

      • 保持达到瓶颈的速度

      • 返回第二步，继续操作剩下的数据流

• AIMD算法Additive Increase Multiplicative Decrease

  • 话题

    • AIMD是一种带宽分配模型

  • 回忆

    • 我们想要给发送者分配带宽，需要既高效又公平

    • 我们应该怎样分配带宽呢？有多种方法

  • 带宽分配模型

    • 带宽分配模型分为多种
      

    • 开循环：在带宽被使用前就已经事先分配好了。

    • 闭循环：在带宽使用的时候逐渐调整

    • 主机支持或网络支持

    • 基于window或基于速度

    • TCP是闭循环，主机支持，基于window

    • 本章主要将闭循环、主机支持、基于window的带宽分配模型

    • 网络层会返回信息告诉发送者是否有网络阻塞

    • 传输层负责调整发送者的发送速度

  • AIMD 线性提速、指数降速

    • 当网络畅通时，传输速度缓慢上升（线性提速）；当网络遇到阻塞时，传输速度急速下降（指数降速）

    • AIMD执行的最终结果就是越来越趋向于即公平又高效的平衡点

  • AIMD属性

    • 收敛于即高效又公平的平衡点

    • 需要从网络获取反馈

  • 反馈信号

    • 信号有多种，包括：丢包、数据包延迟、路由器指示（阻塞信号）

• TCP阻塞控制历史

  • 话题

    • TCP阻塞控制的历史

  • 1980阻塞塌方

    • 早期TCP使用固定大小的滑动窗口（比如一次发送8个数据包）

    • 但是当ARPANET成长的时候会发生很多奇怪的事情

    • 由于网络组件中的消息队列太长，重发的数据包充斥着整个网络，造成有效传输速度减少了很多

  • Van Jacobson

    • 发明了阻塞控制的方法

    • 还有traceroute tcpdump pathchar, IP header compression, multicast tools
      

  • TCP tahoe/reno

    • 在不改变路由器的情况下，避免网络阻塞

    • 主要的办法是滑动超时时间，引入阻塞窗口的概念，类似滑动窗口

    • TCP tahoe/reno使用网络反馈的丢包信号来调整阻塞窗口

    • 我们将研究TCP的以下行为：ACK始终、自适应超时、慢开始、快速重传、快速恢复

  • TCP发展历史

    • 1974 TCP论文

    • 1975 三次握手协议

    • 1981 TCP 和 IP

    • 1983 TCP/IP

    • 1986 第一次发现网络阻塞

    • 1988 TCP Tahoe

    • 1990 TCP Reno

    • 1993 TCP Vegas

    • 1994 ECN

    • 1995 TCP New Reno

    • 1996 TCP SACK

    • 2004 FAST TCP

    • 2004 TCP BIC

    • 2006 TCP CUBIC

    • 2007 Compound TCP

    • 2008 TCP LEDBAT

  • 最近几年出现了很多阻塞控制的方法，但是课程内容只讲解传统的阻塞控制方法

• ACK时钟

  • 话题

    • 滑动窗口使用了内置的时钟

  • 滑动窗口的 ACK 时钟

    • 根据滑动窗口协议，只有当发送方接收到ACK后，才会发送新的数据包

    • 请思考一种情况，发送方在刚开始时数据包发送很快，比如5包/秒。但是由于中途遇到低速网络，对方接收数据的时候变成了1包/秒。那么ACK信号的速度也是1个/秒。这样，发送方接收ACK的速度也是1秒1个。根据滑动窗口协议，接收到ACK后才能发送新的数据。所以发送方的发送速度从原来的5包/秒变成了1包/秒。这就是ACK时钟。

    • 它能让发送者保持最高效的发送速率，同时缩短了沿途路由器的消息队列，从而减少了丢包率和网络延迟。

  • TCP和ACK时钟

    • TCP通过滑动窗口使用了ACK时钟

    • 滑动窗口控制了网络中流通的数据包数量（也称为阻塞窗口）

    • TCP一次发送很少的数据包，来保持网络流量的平滑

• TCP慢启动

  • 话题

    • TCP如何实现AIMD

  • 回忆

    • 我们想要通过AIMD实现TCP的带宽分配

    • 发送方使用阻塞窗口来设置传输速度

    • 发送方根据丢包情况调整传输速度

    • 需要TCP适应大幅度的速度变化

  • TCP启动问题

    • 我们想要快速接近最合适的速率。但是在刚开始的时候很难刚好适应

    • 启动速度太快会导致丢包，启动速度太慢会花费很长的时间才能达到刚好适应

  • 慢启动方案

    • 启动速度呈指数上升

    • 随着速度的提升，最终会由于网络阻塞发生丢包。之后，将指数提速切换成线性提速。这就是慢启动

    • 慢启动时，也就是指数提速时，每收到1个ACK，就增加1个滑动窗口。这样传输速度就能呈现指数上升了

    • 线性提速时，每滑动窗口个ACK之后增加1个滑动窗口

  • TCP tahoe

    • 第一阶段是慢启动阶段，滑动窗口cwnd=1。每个ACK之后cwnd增加1

    • 第二阶段是线性增长阶段，每接到一个ACK，滑动窗口cwnd增加1/cwnd。大概每个RTT之后增加一个cwnd

    • 之后是切换threshold，初始threshold为无穷大。当cwnd > ssthresh时，切换到线性增长模式。当发生丢包之后设置ssthresh为cwnd/2。超时之后使用慢启动

  • timeout misfortunes

    • 为什么要在超时之后才使用慢启动呢

    • 超时给ACK时钟足够的时间来发挥作用

    • 我们需要在丢包超时前就检测到丢包，这样才能更好地执行AIMD

• TCP快速重发、快速恢复

  • 话题

    • TCP如何实现AIMD

  • 回忆

    • 我们想要TCP通过AIMD法则来实现合理的网速分配

    • 发送方通过阻塞窗口（滑动窗口）来设置速度

    • 发送放使用慢启动来实现ACK时钟

    • 在超时之后发送方将滑动窗口设为1，然后重新开始慢启动

  • 通过ACK推断丢包情况

    • TCP使用累加型的ACK

    • 重复的数据给我们提示哪些数据没被对方收到。出现重复ACK是因为ACK时钟

  • 快速重发

    • 将三个重复的ACK视为丢包，此时立即重发。三个重复的ACK来自ACK时钟

    • 快速重发可以快速修复丢失的数据包，特别是还没超时的时候就能检测到丢包并迅速修复

    • 但是在等ACK变化的时候有一段时间是没有传输数据的

    • 所以我们仍然需要指数减速的方法

  • 根据ACK推断哪些包是没有丢的

    • 每个新的重复的ACK意味着有数据已经被对方收到了

  • 快速恢复

    • 在快速重传之后，有一段时间是浪费掉的。所以，在快速重传之后，需要进行“指数减速”。并且在之后的一小段时间内需要将重复的ACK视为正常的ACK。并且在这段时间内，ACK需要仍然没有递增，此时还是要继续发送后续的数据包。这就是快速恢复。

    • 在ACK需要增加之后就退出快速恢复。

    • 快速重发可以修复一小段丢包，使得ACK时钟持续运行

    • 我们需要重新认识AIMD，在丢包之后不会发生超时或者TCP慢启动。而是减少滑动窗口后继续发送数据

    • TCP Reno实现了慢启动、快速重发、快速恢复，指数减速是指将滑动窗口减速到原来的一半

  • TCP Reno, NewReno, SACK

    • Reno一次只能恢复一个丢包，多次丢包最终会超时然后重发

    • NewReno加强了ACK推断的过程，一次能修复多个丢包并且不会发生超时重发

    • SACK是一个更好的方法，接收方可以发送一个范围的ACK，这样发送方就不需要猜测哪些数据包丢失了

• 阻塞信号

  • 话题

    • 路由器如何帮助主机避免阻塞

  • 阻塞控制与避免阻塞

    • 传统的TCP到最后会让网络进入阻塞状态然后恢复

    • 所以我们需要好的方法来避免阻塞，而不是进行阻塞控制，碰到阻塞后重发

  • 反馈信号

    • 延迟和路由器信号可以让我们避免阻塞

    • 丢包、数据包延迟、路由器信号丢可以帮助我们避免阻塞

  • ECN 显式阻塞信号

    • 当路由器检测到网络阻塞时，它会在受影响的数据包的IP头中增加标记。在数据包到达接收方之后，接收方会将数据包丢掉。这样接收方就能知道网络已经发生阻塞了。然后接受方向发送方发送阻塞信号。

    • 优点

      • 路由器向主机发送清楚的信息

      • 阻塞能提早检测到，避免了丢包的发生

      • 不需要发送额外的数据包

    • 缺点

      • 路由器和主机需要升级才能支持ECN

    • 我个人的观点

      • 为什么发生阻塞的时候信号要先传递给接收方呢？然后再由接收放传递给发送方。这样不是浪费了很多时间吗？我觉得可以在发生阻塞的时候将信号直接从路由器发送到发送方，可以通过ICMP协议发送阻塞信号。这样发送方就能更早地检测到网络阻塞了。

ACK序号=数据包序号+payload长度。所以对方发送seq=10,length=5的数据包时，接收方应该回应ack seq=15，而不是14

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