第 1章

TCP入門

確保傳輸可靠性 1

1.1 通信與協(xié)議

OSI參考模型、TCP/IP和RFC 2

OSI參考模型 2

TCP/IP 10

分層模型下的數(shù)據(jù)格式 12

協(xié)議分層結(jié)構(gòu)下的通信過程 12



1.2 傳輸層與傳輸可靠性

將數(shù)據(jù)無亂序、無丟失地發(fā)送給接收方 15

傳輸可靠性 15

網(wǎng)絡(luò)擁塞 15

通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求 16

傳輸層的職責(zé) 17



1.3 UDP的基本情況

無連接的簡單特性 18

UDP的基礎(chǔ)知識(shí) 18

單播、多播、廣播 19

適合UDP的應(yīng)用程序 20



1.4 TCP的基本情況

可靠性的確保與實(shí)時(shí)性 21

TCP的基礎(chǔ)知識(shí) 21

TCP與UDP的功能與特點(diǎn) 22

適合TCP 的應(yīng)用程序 23



1.5 TCP 的基本功能

重傳、順序控制和擁塞控制 23

連接管理 24

序列號(hào) 24

重傳控制 25

順序控制 26

端口號(hào) 27

流量控制 28

擁塞控制與擁塞控制算法 29

無線通信與TCP 30



1.6 面向特定用途的協(xié)議

RUDP、W-TCP、SCTP 和DCCP 32

RUDP 32

W-TCP 33

SCTP 36

DCCP 37



1.7 小結(jié) 37



第 2章

TCP/IP的變遷

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及而不斷進(jìn)化的協(xié)議 39

2.1 TCP 黎明期

1968 年1980 年 40

阿帕網(wǎng)項(xiàng)目啟動(dòng)（1968 年） 41

UNIX 問世（1969 年） 44

搭建ALOHAnet（1970年） 45

TCP 問世（1974 年） 46

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)公開（1980年） 47



2.2 TCP發(fā)展期

1980年1995年 48

擁塞崩潰問題浮出水面（1980 年） 49

引入Nagle 算法（1984 年） 49

引入擁塞控制算法（1988 年） 51

往互聯(lián)網(wǎng)的遷移與萬維網(wǎng)的誕生（1990 年） 52



2.3 TCP 普及期

1995年2006 年 53

Windows 95發(fā)售（1995年） 54

IPv6投入使用（1999年） 54

無線LAN出現(xiàn)（1999年） 55

各式各樣的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)（2004年2006年） 56



2.4 TCP擴(kuò)展期

21世紀(jì)00年代后半期　 57

智能手機(jī)普及（2007年） 57

云計(jì)算出現(xiàn)（2006年） 58

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高速化（2010 年、2015年） 59

物聯(lián)網(wǎng)的大眾化（2015年） 61

2.5 小結(jié) 62



第3章

TCP與數(shù)據(jù)傳輸

實(shí)現(xiàn)可靠性與效率的兼顧 65

3.1 TCP 的數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)包與首部的格式 66

數(shù)據(jù)包格式 66

TCP 報(bào)文段 66

TCP 首部格式 68

UDP 首部格式 72



3.2 連接管理

3次握手 73

建立連接 73

斷開連接 74

端口與連接 75



3.3 流量控制與窗口控制

不宜多也不宜少，適當(dāng)?shù)陌l(fā)送量與接收方緩沖區(qū) 76

流量控制 76

緩存與時(shí)延 77

窗口控制 78

復(fù)習(xí)：流量控制、窗口控制和擁塞控制 79



3.4 擁塞控制

預(yù)測(cè)傳輸量，預(yù)測(cè)自律運(yùn)行且內(nèi)部宛如黑盒的網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部情況 80

TCP擁塞控制的基本概念 80

慢啟動(dòng) 81

擁塞避免 82

快速恢復(fù) 84



3.5 重傳控制

高可靠性傳輸?shù)年P(guān)鍵準(zhǔn)確且高效 86

高可靠性傳輸所需的重傳控制 86

基于重傳計(jì)時(shí)器的超時(shí)控制 87

使用重復(fù)ACK 91

擁塞避免算法與重傳控制綜合影響下的流程及擁塞窗口大小的變化情況 92



3.6 TCP 初期的代表性擁塞控制算法

Tahoe、Reno、NewReno 和Vegas 93

擁塞控制算法的變化 93

Tahoe 94

Reno 96

NewReno 97

Vegas 99

3.7 小結(jié) 101



第4章

程序員必學(xué)的擁塞控制算法

逐漸增長的通信數(shù)據(jù)量與網(wǎng)絡(luò)的變化 103

4.1 擁塞控制的基本理論

目的與設(shè)計(jì)，計(jì)算公式的基礎(chǔ)知識(shí) 104

擁塞控制的目的 104

擁塞控制的基本設(shè)計(jì) 105

擁塞控制中的有限狀態(tài)機(jī) 107

擁塞控制算法示例 109



4.2 擁塞控制算法

通過理論 模擬加深理解 111

本書介紹的擁塞控制算法 111

NewReno 112

Vegas 115

Westwood 117

HighSpeed 119

Scalable 121

Veno 123

BIC 125

H-TCP 127

Hybla 129

Illinois 130

YeAH 133



4.3 協(xié)議分析器Wireshark 實(shí)踐入門

擁塞控制算法的觀察A 135

什么是Wireshark 135

Wireshark 的環(huán)境搭建 135

使用Wireshark 進(jìn)行TCP 首部分析 138

通過Wireshark 觀察擁塞控制算法 141



4.4 加深理解：網(wǎng)絡(luò)模擬器ns-3 入門

擁塞控制算法的觀察B 149

ns-3 的基本情況 149

搭建ns-3 環(huán)境 150

基于ns-3 的網(wǎng)絡(luò)模擬的基礎(chǔ)知識(shí) 151

腳本文件chapter4-base.cc 153

使用Python 運(yùn)行模擬器并進(jìn)行分析和可視化 155

4.5 小結(jié) 163



第5章

CUBIC算法

通過三次函數(shù)簡單地解決問題 167



5.1 網(wǎng)絡(luò)高速化與TCP擁塞控制

長肥管道帶來的變化 .168

Reno和NewReno 168

快速恢復(fù) 168

網(wǎng)絡(luò)的高速化與長肥管道 169

端到端之間的三大時(shí)延 170

長肥管道下NewReno的新問題 171



5.2 基于丟包的擁塞控制

以丟包情況為指標(biāo)的一種歷史悠久的方法 173

基于丟包的擁塞控制算法的基本情況 174

AIMD 控制 174

[實(shí)測(cè)]NewReno的擁塞窗口大小的變化情況 176

HighSpeed與Scalable 179

親和性 183

RTT公平性 184



5.3 BIC

以寬帶、高時(shí)延環(huán)境為前提的算法 186

BIC是什么 186

增大擁塞窗口大小的兩個(gè)階段 187

BIC的擁塞窗口大小的變化情況 188

BIC的問題 190



5.4 CUBIC的機(jī)制

使用三次函數(shù)大幅簡化擁塞窗口大小控制算法 190

CUBIC的基本情況 190

窗口控制算法的關(guān)鍵點(diǎn) 191

CUBIC 的擁塞窗口大小的變化情況 192

模擬結(jié)果中展現(xiàn)出來的高親和性 194

模擬結(jié)果中展現(xiàn)出來的RTT 公平性 194

窄帶低時(shí)延環(huán)境下的適應(yīng)性 195

CUBIC的問題 197



5.5 使用偽代碼學(xué)習(xí)CUBIC算法

主要的行為與處理過程 198

初始化 198

收到ACK時(shí)的行為 199

丟包時(shí)的行為 199

超時(shí)時(shí)的行為 200

主要的函數(shù)與處理 200

5.6 小結(jié) 202



第6章

BBR算法

檢測(cè)吞吐量與RTT的值，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送量 205



6.1 緩沖區(qū)增大與緩沖區(qū)時(shí)延增大

存儲(chǔ)成本下降的影響 206

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的緩沖區(qū)增大 206

緩沖區(qū)膨脹 207

基于丟包的擁塞控制與緩沖區(qū)膨脹的關(guān)系 208

緩沖區(qū)增大給CUBIC 帶來的影響 210



6.2 基于延遲的擁塞控制

以RTT 為指標(biāo)的算法的基本情況和Vegas示例 212

3 種擁塞控制算法和如何結(jié)合環(huán)境選擇算法 212

基于延遲的擁塞控制的基本設(shè)計(jì)思路 213

Vegas的擁塞窗口大小的變化情況 214

過去的基于延遲控制的問題 215



6.3 BBR的機(jī)制

把控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送量與RTT之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最大吞吐量 217

BBR的基本思路 217

BBR的擁塞窗口大小控制機(jī)制 218

RTprop的估算 219

BtlBw的估算 220



6.4 使用偽代碼學(xué)習(xí)BBR算法

收到ACK時(shí)和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) 221

收到ACK時(shí) 222

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) 222



6.5 BBR的流程

模擬實(shí)驗(yàn)中的各種流程 223

只有BBR網(wǎng)絡(luò)流時(shí)的表現(xiàn) 223

當(dāng)多個(gè)BBR網(wǎng)絡(luò)流同時(shí)存在時(shí) 225

與CUBIC的共存 227

長肥管道下的表現(xiàn) 229

6.6 小結(jié) 231



第7章

TCP前沿的研究動(dòng)向

應(yīng)用程序和通信環(huán)境一旦變化，TCP也會(huì)變化 233



7.1 TCP 周邊環(huán)境的變化

3個(gè)視角：通信方式、通信設(shè)備和連接目標(biāo) 234

TCP迄今為止的發(fā)展情況 234

觀察通信環(huán)境變化的3 個(gè)視角 235

通信方式的變化 236

通信設(shè)備的多樣化 238

連接目標(biāo)的變化 239

小結(jié) 241



7.2 5G（第5代移動(dòng)通信）

移動(dòng)通信的大容量化、多設(shè)備支持、高可靠性與低時(shí)延 241

[背景] 5G的應(yīng)用場(chǎng)景與走向?qū)嵱玫囊?guī)劃 242

[問題] 如何應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的需求條件 244

[TCP相關(guān)動(dòng)向A] 毫米波段的處理 245

[TCP相關(guān)動(dòng)向B] 多路徑TCP 246

[TCP相關(guān)動(dòng)向C] 高清流媒體 248



7.3 物聯(lián)網(wǎng)

通過互聯(lián)網(wǎng)控制各種各樣的設(shè)備 249

[背景] 多樣的設(shè)備和通信方式 249

[問題] 處理能力和通信環(huán)境上的制約 252

[TCP相關(guān)動(dòng)向] 適配物聯(lián)網(wǎng) 253



7.4 數(shù)據(jù)中心

大規(guī)�；�與各種需求條件并存 254

[背景] 云服務(wù)的普及和數(shù)據(jù)中心的大規(guī)�；� 254

[問題] 針對(duì)緩沖區(qū)的互斥的需求條件 256

[TCP相關(guān)動(dòng)向] 面向數(shù)據(jù)中心的擁塞控制 257



7.5 自動(dòng)駕駛

追求高可靠性與低時(shí)延、大容量的通信性能 259

[背景] 以普及自動(dòng)駕駛為目的的技術(shù) 259

[問題] 高速移動(dòng)時(shí)的高可靠性通信 262

[與TCP的關(guān)系] 關(guān)于確�？煽啃� 263

7.6 小結(jié) 264