TCP协议如何保证可靠传输

概述：

TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：

（校序重流拥）

校验和：

发送的数据包的二进制相加然后取反，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。

确认应答+序列号（累计确认+seq）：

接收方收到报文就会确认（累积确认：对所有按序接收的数据的确认）

TCP给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。

超时重传：

当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

流量控制：

TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

接收方有即时窗口（滑动窗口），随ACK报文发送

拥塞控制：

当网络拥塞时，减少数据的发送。

发送方有拥塞窗口，发送数据前比对接收方发过来的即使窗口，取小

慢启动、拥塞避免、拥塞发送、快速恢复

应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。

TCP的接收端会丢弃重复的数据。

校验和

确认应答和序列号

序列号：TCP传输时将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。

确认应答：TCP传输的过程中，每次接收方收到数据后，都会对传输方进行确认应答。也就是发送ACK报文。

这个ACK报文当中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收到了哪些数据，下一次的数据从哪里发。

序列号的作用不仅仅是应答的作用，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去掉重复序列号的数据。

这也是TCP传输可靠性的保证之一。

超时重传

在进行TCP传输时，由于确认应答与序列号机制，也就是说发送方发送一部分数据后，都会等待接收方发送的ACK报文，并解析ACK报文，判断数据是否传输成功。

如果发送方发送完数据后，迟迟没有等到接收方的ACK报文，这该怎么办呢？而没有收到ACK报文的原因可能是什么呢？

首先，发送方没有接收到响应的ACK报文原因可能有两点：

a、数据在传输过程中由于网络原因等直接全体丢包，接收方没有接收到。

b、接收方接收到了响应的数据，但是发送的ACK报文响应却由于网络原因丢包了。

TCP在解决这个问题的时候引入了一个新的机制，叫做超时重传机制。

简单理解就是发送方在发送完数据后等待一个时间，时间到达没有接收到ACK报文，那么对刚才发送的数据进行重新发送。

如果是刚才第一个原因，接收方收到二次重发的数据后，便进行ACK应答。

如果是第二个原因，接收方发现接收的数据已存在（判断存在的根据就是序列号，所以上面说序列号还有去除重复数据的作用），那么直接丢弃，仍旧发送ACK应答。

那么发送方发送完毕后等待的时间是多少呢？如果这个等待的时间过长，那么会影响TCP传输的整体效率，如果等待时间过短，又会导致频繁的发送重复的包。如何权衡？

由于TCP传输时保证能够在任何环境下都有一个高性能的通信，因此这个最大超时时间（也就是等待的时间）是动态计算的。

注意：

超时以500ms（0.5秒）为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。

重发一次后，仍未响应，那么等待2*500ms的时间后，再次重传。等待4*500ms的时间继续重传。以一个指数的形式增长。

累计到一定的重传次数，TCP就认为网络或者对端出现异常，强制关闭连接。

连接管理

三次握手和四次挥手

流量控制

接收端在接收到数据后，对其进行处理。如果发送端的发送速度太快，导致接收端的结束缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据，那么接下来发送的数据都会丢包，继而导致丢包的一系列连锁反应，超时重传呀什么的。而TCP根据接收端对数据的处理能力，决定发送端的发送速度，这个机制就是流量控制。

简单来说就是接收方处理不过来的时候，就把窗口缩小，并把窗口值告诉发送端。

在这里只考虑A向B发送数据，假设在连接在建立时，B告诉A:我的接收窗口rwnd=400（receiver window）,不过在报文中已经省略了

如果接收到窗口大小的值为0，那么发送方将停止发送数据。并定期的向接收端发送窗口探测数据段，让接收端把窗口大小告诉发送端。

拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。

这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

慢开始算法原理

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论，做如下假设：

接收方有足够大的接收缓存，因此不会发生流量控制；
虽然 TCP 的窗口基于字节，但是这里设窗口的大小单位为报文段。

当TCP连接进行初始化是，将拥塞窗口置为1。

图中的窗口单位不再使用字节而使用报文段。

慢开始门限的初始值设置为16个报文段，即ssthresh=16；

慢开始和拥塞避免

1.然后开始慢开始算法（指数增长）。当cwnd=16时开始执行拥塞避免算法，呈现线性增长。

2.当拥塞窗口cwnd=24时出现超时，发送方判定为网络拥塞，于是调整门限值ssthresh=cwnd/2=12,同时设置拥塞窗口为1，进入慢开始阶段。

3.按照慢开始算法，发送方每收到一个新报文段的确认ACK拥塞窗口值增加。当cwnd=12时（图中点3）执行拥塞避免算法

快重传和快恢复

4 .当cwnd=16时（图中点4）出现了一个新的情况，就是发送方连续收到3个对统一报文段的重复确认（3-ACK）。发送方执行快重传和快恢复算法。

5 在图中点4，发送方知道只是丢失了个别的报文段，于是不启动慢开始，而是先进行快重传然后执行快恢复算法。

发送方设置调整门限值ssthresh=cwnd/2=8, 同时拥塞窗口cwnd=ssthresh=8（点5），然后进行拥塞避免算法

快重传：收到3个同样的确认就立刻重传，不等到超时；

快恢复：cwnd不是从1重新开始。

滑动窗口

实际中的传输方式，

需要说明一下，如果你不了解TCP的滑动窗口这个事，你等于不了解TCP协议。

我们都知道，TCP必需要解决的可靠传输以及包乱序（reordering）的问题，

所以，TCP必需要知道网络实际的数据处理带宽或是数据处理速度，这样才不会引起网络拥塞，导致丢包。

发送方滑动窗口示意图：

上图中分成了四个部分，分别是：（其中那个黑模型就是滑动窗口）

#1已收到ack确认的数据。

#2已发出但还没收到ack的。

#3在窗口中还没有发出的（接收方还有空间）。

#4窗口以外的数据（接收方没空间）

注意：

滑动窗口里是已发出但未收到ACk、还未发出的数据

下面是个滑动后的示意图（收到36的ack，并发出了46-51的字节）：

参考博客：

http://uule.iteye.com/blog/2429131

https://www.cnblogs.com/deliver/p/5471231.html