TCP协议如何保证可靠传输

简介

本文介绍TCP协议保证可靠传输的原理。

本内容也是Java后端面试常见的问题。

概述

TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：

1. 大小控制
   1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
2. 序列号
   1. 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。
   2. TCP 的接收端会丢弃重复的数据，数据是否重复就是根据序列号进行判断的。
3. 校验和
   1. TCP 将保持它首部和数据的检验和。
   2. 这是一个端到端的检验和，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。
4. 流量控制
   1. 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。 （TCP 利用滑动窗口实现流量控制）
5. 拥塞控制
   1. 当网络拥塞时，减少数据的发送。
6. 确认应答
   1. 是通过ARQ协议实现的
   2. 基本原理是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
7. 超时重传
   1. 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。

详述

校验和

计算方式：在数据传输的过程中，将发送的数据段都当做一个16位的整数。将这些整数加起来。并且前面的进位不能丢弃，补在后面，最后取反，得到校验和。

• 发送方：在发送数据之前计算检验和，并进行校验和的填充。
• 接收方：收到数据后，对数据以同样的方式进行计算，求出校验和，与发送方的进行比对。

注意：如果接收方比对校验和与发送方不一致，那么数据一定传输有误。但是如果接收方比对校验和与发送方一致，数据不一定传输成功。

确认应答与序列号

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。

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。

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。

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，发送方没有介绍到响应的ACK报文原因可能有两点：

1. 数据在传输过程中由于网络原因等直接全体丢包，接收方根本没有接收到。
2. 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。

在Linux中（BSD Unix和Windows下也是这样）超时以500ms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

连接管理就是三次握手与四次挥手的过程，在前面详细讲过这个过程，这里不再赘述。保证可靠的连接，是保证可靠性的前提。

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。

在TCP协议的报头信息当中，有一个16位字段的窗口大小。在介绍这个窗口大小时我们知道，窗口大小的内容实际上是接收端接收数据缓冲区的剩余大小。这个数字越大，证明接收端接收缓冲区的剩余空间越大，网络的吞吐量越大。接收端会在确认应答发送ACK报文时，将自己的即时窗口大小填入，并跟随ACK报文一起发送过去。而发送方根据ACK报文里的窗口大小的值的改变进而改变自己的发送速度。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。

注：16位的窗口大小最大能表示65535个字节（64K），但是TCP的窗口大小最大并不是64K。在TCP首部中40个字节的选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际的窗口大小就是16为窗口字段的值左移M位。每移一位，扩大两倍。 

拥塞控制

TCP传输的过程中，发送端开始发送数据的时候，如果刚开始就发送大量的数据，那么就可能造成一些问题。网络可能在开始的时候就很拥堵，如果给网络中在扔出大量数据，那么这个拥堵就会加剧。拥堵的加剧就会产生大量的丢包，就对大量的超时重传，严重影响传输。

所以TCP引入了慢启动的机制，在开始发送数据时，先发送少量的数据探路。探清当前的网络状态如何，再决定多大的速度进行传输。这时候就引入一个叫做拥塞窗口的概念。发送刚开始定义拥塞窗口为 1，每次收到ACK应答，拥塞窗口加 1。在发送数据之前，首先将拥塞窗口与接收端反馈的窗口大小比对，取较小的值作为实际发送的窗口。

拥塞窗口的增长是指数级别的。慢启动的机制只是说明在开始的时候发送的少，发送的慢，但是增长的速度是非常快的。为了控制拥塞窗口的增长，不能使拥塞窗口单纯的加倍，设置一个拥塞窗口的阈值，当拥塞窗口大小超过阈值时，不能再按照指数来增长，而是线性的增长。在慢启动开始的时候，慢启动的阈值等于窗口的最大值，一旦造成网络拥塞，发生超时重传时，慢启动的阈值会为原来的一半（这里的原来指的是发生网络拥塞时拥塞窗口的大小），同时拥塞窗口重置为 1。

慢开始

慢开始不是指cwnd的增长速度慢（指数增长），而是指TCP开始发送设置cwnd=1。

思路：不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。这里用报文段的个数的拥塞窗口大小举例说明慢开始算法，实时拥塞窗口大小是以字节为单位的。如下图：

为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞，设置一个慢开始门限（ssthresh状态变量）
当cnwd＜ssthresh，使用慢开始算法
当cnwd=ssthresh，既可使用慢开始算法，也可以使用拥塞避免算法
当cnwd＞ssthresh，使用拥塞避免算法

拥塞避免（按线性规律增长）

拥塞避免并非完全能够避免拥塞，是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。

思路：让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞控制窗口加一。

无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认，虽然没有收到确认可能是其他原因的分组丢失，但是因为无法判定，所以都当做拥塞来处理），就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1，执行慢开始算法。

加法增大与乘法减小

乘法减小：无论是慢开始阶段还是拥塞避免，只要出现了网络拥塞（超时），就把慢开始门限值ssthresh减半
加法增大：执行拥塞避免算法后，拥塞窗口线性缓慢增大，防止网络过早出现拥塞

快重传

快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

由于不需要等待设置的重传计时器到期，能尽早重传未被确认的报文段，能提高整个网络的吞吐量。

快恢复（与快重传配合使用）

1. 采用快恢复算法时，慢开始只在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。
2. 当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢开始算法。
3. 考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。

注意

发送方窗口的上限值=Min（接受窗口rwnd，拥塞窗口cwnd）
rwnd < cwnd 接收方的接收能力限制发送方窗口的最大值
rwnd > cwnd 网络的拥塞限制发送方窗口的最大值 ​