TCP协议-如何保证传输可靠性

转自 https://blog.csdn.net/xuzhangze/article/details/80490362

TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：

（1）检验和

在发送数据时，为了计算数据包的校验和。应该按如下步骤：
（1）把校验和字段置为0；
（2）把需要校验的数据看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和；
（3）把得到的结果存入校验和字段中。
在接收数据时，计算数据报的校验和相对简单，按如下步骤：
（1）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段；
（2）检查计算出的校验和的结果是否等于零（反码应为16个1）；
（3）如果等于零，说明被整除，校验是和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。
所谓的二进制反码求和，即为先进行二进制求和，然后对和取反。

（2）序列号

TCP将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。
序列号的作用：
a、保证可靠性（当接收到的数据总少了某个序号的数据时，能马上知道）
b、保证数据的按序到达
c、提高效率，可实现多次发送，一次确认
d、去除重复数据 　　
数据传输过程中的确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号来实现
（3）确认应答机制（ACK）

　　TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部中有一个标志位——ACK，此标志位表示确认号是否有效。接收方对于按序到达的数据会进行确认，当标志位ACK=1时确认首部的确认字段有效。进行确认时，确认字段值表示这个值之前的数据都已经按序到达了。而发送方如果收到了已发送的数据的确认报文，则继续传输下一部分数据；而如果等待了一定时间还没有收到确认报文就会启动重传机制。
（4）超时重传机制

　　第一种情况：数据包丢失。当数据发出后在一定的时间内未收到接收方的确认，发送方就会进行重传（通常是在发出报文段后设定一个特定的时间间隔，到点了还没有收到应答则进行重传）。

　　第二种情况：确认包丢失。当接收方收到重复数据（通过序列号进行识别）的时就将其丢弃，重新发送ACK。

　　重传时间的确定：报文段发出到确认中间有一个报文段的往返时间RTT，显然超时重传时间RTO会略大于这个RTT，TCP会根据网络情况动态的计算RTT，即RTO是不断变化的。在Linux中，超时以500ms为单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。其规律为：如果重发一次仍得不到应答，就等待2*500ms后再进行重传，如果仍然得不到应答就等待4*500ms后重传，依次类推，以指数形式递增，重传次数累计到一定次数后，TCP认为网络或对端主机出现异常，就会强行关闭连接。
（5）连接管理机制

　　三次握手和四次挥手

（6）流量控制

　　接收端处理数据的速度是有限的，如果发送方发送数据的速度过快，导致接收端的缓冲区满，而发送方继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等一系列连锁反应。 因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，这个机制叫做流量控制。在TCP报文段首部中有一个16位窗口长度，当接收端接收到发送方的数据后，在应答报文ACK中就将自身缓冲区的剩余大小，放入16窗口大小中。这个大小随数据传输情况而变，窗口越大，网络吞吐量越高，而一旦接收方发现自身的缓冲区快满了，就将窗口设置为更小的值通知发送方。如果缓冲区满，就将窗口置为0，发送方收到后就不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

其过程如下：

注意：窗口大小不受16位窗口大小限制，在TCP首部40字节选项中还包含一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是窗口字段的值左移M位。

（7）拥塞控制 

　　流量控制解决了两台主机之间因传送速率而可能引起的丢包问题，在一方面保证了TCP数据传送的可靠性。然而如果网络非常拥堵，此时再发送数据就会加重网络负担，那么发送的数据段很可能超过了最大生存时间也没有到达接收方，就会产生丢包问题。

　　拥塞控制方法分为：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。