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TCP是如何实现可靠传输的

TCP (Transmission Control Protocol, 传输控制协议) 之所以能够实现“可靠传输”，是因为它设计了一套精密的、环环相扣的机制来应对网络中可能出现的各种问题，如数据包丢失、重复、乱序或损坏。

IP协议本身是“尽力而为”的，不保证数据能送达，而TCP正是在IP协议之上构建了一个可靠的通信层。其可靠性主要通过以下几个核心机制来实现：

序列号 (Sequence Numbers)

这是TCP实现有序传输和数据完整性检查的基础。

  • 工作原理： TCP在发送数据时，会将数据分割成一个个大小合适的报文段 (Segment)。它会为每个报文段中的第一个字节分配一个序列号。例如，第一个报文段的序列号是1，包含1000字节的数据，那么下一个报文段的序列号就会是1001。

  • 如何保证可靠性：

    • 解决乱序问题：网络传输中，后发的数据包可能先到。接收方可以根据序列号对接收到的报文段进行重新排序，从而恢复出原始的、有序的数据流。
    • 解决重复问题：如果接收方收到了两个序列号相同的报文段，它就知道其中一个是重复的，会直接丢弃重复的那个。

确认应答机制 (Acknowledgements, ACKs)

这个机制用来确认数据是否被对方成功接收。

  • 工作原理： 当接收方收到来自发送方的数据后，会发送一个确认(ACK)报文段作为回应。这个ACK报文中包含一个“确认号”，这个号码的数值是“接收方期望收到的下一个字节的序列号”。例如，接收方成功收到了序列号为1到1000的数据，它就会回复一个ACK，确认号为1001。

  • 如何保证可靠性：

    • 确认数据到达：发送方收到ACK后，就知道之前发送的数据已经被对方成功接收。这种一发一收的确认模式是可靠性的核心。这种累计确认的机制效率很高，确认了1001，就代表1001之前的所有数据都收到了。

超时重传 (Timeout and Retransmission)

当TCP发送一个数据段（Segment）后，它会启动一个计时器，并将该数据段放入重传队列。

  • 确认机制 (Acknowledgement - ACK)：接收方在收到数据后会向发送方发送一个确认消息（ACK）。这个ACK消息包含下一个期望接收的字节的序列号。
  • 重传定时器 (Retransmission Timer)：发送方为每个发送的数据段设置一个重传定时器。如果在定时器到期之前没有收到对应数据段的ACK，发送方就会认为该数据段丢失，并重新发送该数据段。
  • 动态调整RTO (Retransmission Timeout)：重传超时时间（RTO）的设定至关重要。如果RTO太短，可能导致不必要的重传；如果RTO太长，会降低传输效率。TCP会根据网络状况（如往返时间RTT）动态地计算和调整RTO。
    • TCP通过测量发送数据到接收到ACK的往返时间（RTT）来估算网络的延迟。
    • 它会维护一个平滑的RTT估算值（SRTT）和一个平均偏差估算值，利用这些值来计算出更合适的RTO。
    • 在每次重传之后，RTO通常会指数级地增加，这被称为“指数退避”（Exponential Backoff），以应对持续的网络问题。
  • 快速重传 (Fast Retransmit)：为了更及时地处理丢包，TCP还引入了快速重传机制。如果发送方收到三个或更多重复的ACK（Duplicate ACKs），它会立即重传丢失的数据段，而无需等待重传定时器超时。这通常表明某个数据段在传输过程中丢失，但后续的数据段已经到达接收方。

流量控制 (Flow Control)

流量控制是为了防止发送方发送数据过快，导致接收方的缓冲区溢出，从而造成数据丢失。TCP通过“滑动窗口协议”（Sliding Window Protocol）实现流量控制。

  • 接收窗口 (Receive Window - rwnd)：接收方在其发送的每个ACK报文中，都会包含一个“接收窗口大小”（rwnd）字段。这个字段表示接收方当前能够接收的字节数量，也就是其缓冲区中剩余的可用空间。
  • 发送方的限制：发送方会根据接收方通告的接收窗口大小来调整其发送数据量，确保发送的数据不会超过接收方当前的处理能力和缓冲区容量。
  • 滑动窗口：发送方维护一个“发送窗口”，代表它可以在未收到ACK的情况下发送的数据量。随着数据的发送和ACK的接收，这个窗口会在序列号空间上向前“滑动”。
  • 零窗口 (Zero Window)：如果接收方的缓冲区已满，它会通告一个零窗口大小。此时，发送方将停止发送数据，直到接收方通告一个非零的窗口大小，表示缓冲区有可用空间。为了避免死锁，TCP会使用一个“持久计时器”（Persist Timer），当接收方通告零窗口时，发送方会周期性地发送小探测报文（probe segment），以获取接收方最新的窗口大小信息。

拥塞控制 (Congestion Control)

拥塞控制是为了防止过多的数据注入到网络中，导致网络性能下降（如丢包、延迟增加），甚至出现“拥塞崩溃”（Congestive Collapse）。流量控制是点对点（发送方到接收方）的，而拥塞控制是全局的（考虑整个网络）。TCP拥塞控制主要通过四个阶段实现：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。

  • 拥塞窗口 (Congestion Window - cwnd)：除了接收窗口外，发送方还维护一个“拥塞窗口”（cwnd）。实际发送的数据量是接收窗口和拥塞窗口中的较小值。拥塞窗口由发送方根据网络拥塞情况动态调整。
  • 慢启动 (Slow Start)：
    • 当TCP连接建立时，拥塞窗口初始化为一个较小的值（通常为1或2个TCP段）。
    • 每当发送方收到一个ACK，拥塞窗口就会指数级地增长。例如，初始发送1个段，收到ACK后发送2个段，再收到ACK后发送4个段，以此类推，呈指数增长。
    • 这个阶段会持续到拥塞窗口达到一个预设的“慢启动阈值”（ssthresh），或者检测到丢包。
  • 拥塞避免 (Congestion Avoidance)：
    • 当拥塞窗口达到或超过慢启动阈值（ssthresh）后，TCP进入拥塞避免阶段。
    • 在这个阶段，拥塞窗口的增长变为线性。每当收到一个RTT内所有已发送数据的ACK时，拥塞窗口只增加一个TCP段的量。这种机制被称为“加法增大”（Additive Increase）。
    • 如果检测到丢包（通过超时或重复ACK），通常会假定网络发生了拥塞。
  • 拥塞检测与恢复：
    • 超时触发：如果发生重传超时，这被认为是严重的拥塞迹象。TCP会将慢启动阈值（ssthresh）设置为当前拥塞窗口的一半，然后将拥塞窗口重置为初始的较小值，再次进入慢启动阶段。
    • 快速恢复 (Fast Recovery)：当收到三个重复ACK时，这表明有丢包，但网络可能并未严重拥塞（因为还有后续数据到达）。
      • 此时，TCP将慢启动阈值（ssthresh）设置为当前拥塞窗口的一半。
      • 拥塞窗口减小到新的ssthresh值。
      • 然后，TCP进入快速恢复阶段，在每个收到重复ACK时，拥塞窗口会线性增加，直到收到新的ACK确认了所有之前丢失的数据。这避免了完全回到慢启动的低效率。这种机制被称为“乘法减小”（Multiplicative Decrease）。

校验和 (Checksum)

这个机制用来检测数据在传输过程中是否发生了损坏。

  • 工作原理： 发送方在发送数据前，会根据TCP头部和数据内容计算出一个16位的校验和值。接收方收到数据后，会用同样的方法进行计算。如果计算出的校验和与收到的不一致，就说明数据在传输过程中被篡改或损坏了。

  • 如何保证可靠性：

    • 保证数据完整性：如果接收方发现校验和不匹配，它会直接丢弃这个损坏的报文段，并且不会发送ACK。这样，发送方就会因为超时而重传这个报文段，确保了最终数据的正确性。