循环概念与TCP序列号

TCP是互联网协议套件中的核心协议之一。它通过在数据传输过程中建立发送方与接收方之间的虚拟连接，为应用程序提供可靠且高效的传输层服务。

TCP的工作原理：

• TCP从应用层持续接收数据。
• 它将数据分割成易于处理的多个部分，每个部分都包含一系列字节。
• 每个数据块都会被加上TCP头部，从而形成一个TCP段。

TCP数据包的结构：

• TCP头部包含诸如源端口、目标端口、序列号等控制信息。
• TCP选项这些可选字段可以用于实现诸如窗口缩放等功能。
• 数据正在传输的实际载荷内容。

了解更多关于……的信息TCP

TCP序列号

发送方发送的每个TCP段都包含一部分数据。TCP为数据流中的每一字节分配一个唯一的序列号。这个序列号在数据传输过程中起着至关重要的作用，它有助于对数据进行有效的跟踪和管理。

序列编号的目的

• 能够唯一地识别每字节的数据。
• 有助于将数据分割，并在接收端重新组合这些数据。
• 记录已发送和接收的数据量。
• 确保数据在到达时顺序混乱的情况下也能被正确排序。
• 有助于检测和重新传输丢失的数据。

序列号范围与数据限制

• 在TCP头部中，序列号字段的长度为32位。
• 可能的值范围是从……开始。

0 到 2³² – 1即/也就是说4,294,967,295).

• 这并不意味着TCP只能处理4GB的数据。
• 序列号循环使用功能使得TCP能够在长连接期间继续传输数据，从而克服这一限制。

初始序列号（Initial Sequence Number, ISN）：

• 在连接建立过程中，每个设备都会生成一个随机的初始序列号。
• 每个通信方向所使用的ISN都是不同的。
• 这有助于避免冲突，同时确保连接中数据字节的识别具有唯一性和安全性。

TCP中的“缠绕概念”

TCP使用32位的序列号字段，这意味着序列号的范围是从……开始。0 到 2³² – 1这样，总共就是……4,294,967,296（4GB）独特的序列号。

当所有序列号都被使用后，如果需要继续发送更多数据的话，那么序列号就会从0开始重新计数。这种对序列号的重复使用方式被称为“循环使用”。

例如：如果起始序列号是X，那么TCP会使用从X到2³²–1的数字，之后会回到0，然后再继续使用数字，直到达到X–1。

为什么“Wrap Around”这种方法会有效呢？

虽然序列号会被重复使用，但这并不会造成混淆，因为：

• 每个TCP数据包都有一个生命周期，即该数据包在网络中可以存在的时长。通常，这个生命周期被设定为180秒。
• 只要“环绕时间”大于一个数据包的寿命，就不会出现冲突。因为，当这些旧的数据包被重新使用其序列号时，它们早就已经过期了。

循环时间

“循环时间”指的是在一次性使用完所有2³²个序列号时所需要的时间。这个时间取决于序列号被消耗的速度，而序列号被消耗的速度则取决于连接的带宽。

• 更高的带宽 → 更快的消耗速度 → 更短的周长时间
• 较低的带宽 → 消费速度较慢 → 更长的环绕时间

“循环时间”∝ 1 / 带宽

如何减少包裹处理的时间

为了缩短包裹完成所需的时间：

• 增加带宽（每秒传输的数据量更多）
• 序列号的大小是固定的，为32位，因此无法缩小其大小。

示例/例子

示例1：给定n各位，有多少种可能的序列号呢？

说明：

• 对于1位二进制数来说，可以表示出2个数字：0、1。
• 对于2位二进制数来说，可以表示出4种不同的数值：00、01、10、11。
• 对于3位二进制数来说，可以表示出8种不同的数值：000、001、010、011、100、101、110、111。
• 对于 n 位来说，可以表示出 2ⁿ 个数，这些数的范围是从 0 到 2ⁿ - 1。

示例2：给定n序列号，需要多少位来表示它们呢？

说明：

让所需的位数数量为x.

我们知道：

2ᵏ = n

在等式的两边都取以2为底的对数：

x = log₂(n)

示例3：带宽 = 1 GBps。那么，一个数据包在传输过程中可以持续存在于网络中，而不需要重复序列号，多长时间呢？

说明：

带宽 = 1 Gbps = 10^9 字节/秒

总序列数 = 2³² = 4,294,967,296

循环时间= 总序列数 / 带宽
= 2³² / 10⁹
= 4,294,967,296 / 1,000,000,000
4.294秒

示例4：GATE-CS-2014-(第3套试题) | 问题65

示例5：GATE CS 2018 | 问题32