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)絡擁塞 15

通信對網(wǎng)絡的要求 16

傳輸層的職責 17



1.3 UDP的基本情況

無連接的簡單特性 18

UDP的基礎知識 18

單播、多播、廣播 19

適合UDP的應用程序 20



1.4 TCP的基本情況

可靠性的確保與實時性 21

TCP的基礎知識 21

TCP與UDP的功能與特點 22

適合TCP 的應用程序 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 24

重傳控制 25

順序控制 26

端口號 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)的普及而不斷進化的協(xié)議 39

2.1 TCP 黎明期

1968 年1980 年 40

阿帕網(wǎng)項目啟動（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)標準公開（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)應用服務（2004年2006年） 56



2.4 TCP擴展期

21世紀00年代后半期　 57

智能手機普及（2007年） 57

云計算出現(xiàn)（2006年） 58

移動網(wǎng)絡的高速化（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?shù)陌l(fā)送量與接收方緩沖區(qū) 76

流量控制 76

緩存與時延 77

窗口控制 78

復習：流量控制、窗口控制和擁塞控制 79



3.4 擁塞控制

預測傳輸量，預測自律運行且內(nèi)部宛如黑盒的網(wǎng)絡的內(nèi)部情況 80

TCP擁塞控制的基本概念 80

慢啟動 81

擁塞避免 82

快速恢復 84



3.5 重傳控制

高可靠性傳輸?shù)年P鍵準確且高效 86

高可靠性傳輸所需的重傳控制 86

基于重傳計時器的超時控制 87

使用重復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

程序員必學的擁塞控制算法

逐漸增長的通信數(shù)據(jù)量與網(wǎng)絡的變化 103

4.1 擁塞控制的基本理論

目的與設計，計算公式的基礎知識 104

擁塞控制的目的 104

擁塞控制的基本設計 105

擁塞控制中的有限狀態(tài)機 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)絡模擬的基礎知識 151

腳本文件chapter4-base.cc 153

使用Python 運行模擬器并進行分析和可視化 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 168

網(wǎng)絡的高速化與長肥管道 169

端到端之間的三大時延 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

[實測]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

窗口控制算法的關鍵點 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

窄帶低時延環(huán)境下的適應性 195

CUBIC的問題 197



5.5 使用偽代碼學習CUBIC算法

主要的行為與處理過程 198

初始化 198

收到ACK時的行為 199

丟包時的行為 199

超時時的行為 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)時延增大

存儲成本下降的影響 206

網(wǎng)絡設備的緩沖區(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計思路 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的機制

把控數(shù)據(jù)發(fā)送量與RTT之間的關系，實現(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制 218

RTprop的估算 219

BtlBw的估算 220



6.4 使用偽代碼學習BBR算法

收到ACK時和發(fā)送數(shù)據(jù)時 221

收到ACK時 222

發(fā)送數(shù)據(jù)時 222



6.5 BBR的流程

模擬實驗中的各種流程 223

只有BBR網(wǎng)絡流時的表現(xiàn) 223

當多個BBR網(wǎng)絡流同時存在時 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前沿的研究動向

應用程序和通信環(huán)境一旦變化，TCP也會變化 233



7.1 TCP 周邊環(huán)境的變化

3個視角：通信方式、通信設備和連接目標 234

TCP迄今為止的發(fā)展情況 234

觀察通信環(huán)境變化的3 個視角 235

通信方式的變化 236

通信設備的多樣化 238

連接目標的變化 239

小結(jié) 241



7.2 5G（第5代移動通信）

移動通信的大容量化、多設備支持、高可靠性與低時延 241

[背景] 5G的應用場景與走向?qū)嵱玫囊?guī)劃 242

[問題] 如何應對嚴苛的需求條件 244

[TCP相關動向A] 毫米波段的處理 245

[TCP相關動向B] 多路徑TCP 246

[TCP相關動向C] 高清流媒體 248



7.3 物聯(lián)網(wǎng)

通過互聯(lián)網(wǎng)控制各種各樣的設備 249

[背景] 多樣的設備和通信方式 249

[問題] 處理能力和通信環(huán)境上的制約 252

[TCP相關動向] 適配物聯(lián)網(wǎng) 253



7.4 數(shù)據(jù)中心

大規(guī)�；c各種需求條件并存 254

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

[問題] 針對緩沖區(qū)的互斥的需求條件 256

[TCP相關動向] 面向數(shù)據(jù)中心的擁塞控制 257



7.5 自動駕駛

追求高可靠性與低時延、大容量的通信性能 259

[背景] 以普及自動駕駛為目的的技術 259

[問題] 高速移動時的高可靠性通信 262

[與TCP的關系] 關于確保可靠性 263

7.6 小結(jié) 264