TCP是如何确保数据传输的可靠性的?

前言

文章参考：

• 《网络是怎样连接的》：https://book.douban.com/subject/26941639/
• 《图解网络》：https://www.xiaolincoding.com/network/

在开始阅读该博客之前，先要好好了解一下TCP报文头部到底有那些信息，阅读后续内容时有任何模糊的地方都可以回来这里查看梳理，接下来我来解释一下：

• 发送方端口：发送网络包程序的端口号
• 接收方端口：接收网络包程序的端口号
• 序列号：也叫序号（seq），发送数据的顺序编号。发送方告知接收方数据包有多少个字节。
• 确认号：也叫ACK号（ack），接收数据的顺序编号。接收方告知发送方已经收到所有数据的第几个字节。
• 首部长度：也叫数据偏移量。表示数据部分的起始位置。
• 保留：暂时没用
• 控制位：也叫标志位。上图中蓝色部分，又叫标志位。
  • URG：表示紧急指针字段有效
  • ACK：表示接收数据序号字段有效，一般表示数据被接收方接收。（注意：此ACK和上面的确认号ACK不是一回事，不要混淆）
  • PSH：表示通过Flush操作发送数据
  • RST：强制断开连接
  • SYN：发送方和接收方互相确认，表示连接。
  • FIN：表示断开连接。
• 窗口大小：表示接收方告知发送方窗口大小。
• 校验和：用于检查是否出现错误。
• 紧急指针：应紧急处理的数据位置。
• 可选字段：除了连接操作，很少使用该部分。

除了可选字段，其余TCP头部信息总大小固定为20字节。

1、连接管理

TCP协议是面向连接的协议。

我们使用浏览器向服务器发送HTTP请求时，传输层协议使用TCP协议的。所以浏览器如果想要通过网卡将数据包发送到服务器，我们需要先进行连接管理，也就是大名鼎鼎的三次握手、四次挥手（面试爱问）。

• 连接建立：三次握手
• 连接释放：四次挥手

1.1、三次握手

• 第一次握手：首先服务端暂时处于监听状态，客户端主动发送第一次握手请求，TCP头部标志位SYN置为1，序列号seq置为随机生成的数x，此时客户端进程状态变成SYN_SENT，第一次握手发送完毕。（服务端确定：自己具备接收客户端请求的能力）
• 第二次握手：服务端收到第一次握手的请求后，服务端进行第二次握手请求的发送。首先先将标志位SYN、ACK置为1，序列号seq置为随机生成的数y，确认号ack置为x + 1，然后完成第二次握手的发送，发送完毕后服务端进程状态变成SYN_RVCD，第二次握手完毕。（客户端确定：自己具备接收、发送请求的能力）
• 第三次握手：客户端收到服务端返回的响应后，准备发送第三次握手的请求包。其中标志位ACK置为1，序列号seq置为x + 1，确认号ack置为y + 1，第三次握手发送完毕，服务端接收后建立连接完毕，客户端与服务端的进程都进入ESTABLISHED状态。（服务端确定：自己具备发送请求给客户端的能力）

1.2、四次挥手

• 第一次挥手：客户端主动发送标志位ACK为1，序列号seq为x的数据包。此时客户端进程进入FIN-WAIT-1状态。
• 第二次挥手：服务端接收到客户端第一次挥手请求，准备发送第二次挥手，状态位ACK置为1，序列号seq置为y，确认号ack置为x + 1。发送完毕后服务端进入CLOSE_WAIT状态，客户端接收到第二次挥手的请求进入FIN_WAIT_2状态，此时客户端依旧可以接收服务端未发送完毕的数据。
• 第三次挥手：数据传输完毕后，服务端发起第三次挥手。状态位SYN、ACK置为1，确认号ack依旧是x，序列号seq置为z。第三次挥手发送完毕后，服务端进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：客户端收到第三次挥手，准备发送第四次挥手请求，状态位ACK置为1，序列号seq置为x + 1，确认号ack置为z + 1，此时客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL后自动进入CLOSE状态。服务端收到第四次挥手报文后会变成CLOSE状态。（2MSL：报文段的最长生存时间；用来等待在网络中被丢弃或产生的延迟、重复数据包被清除）

2、校验和

TCP校验和（Checksum）是一个端到端的校验和，由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现TCP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。如果接收方检测到校验和有差错，则TCP段会被直接丢弃。

关于校验和不做过多解释，详细解释请参考这篇文章：https://blog.****.net/qq_15437629/article/details/79183076

3、序列号 + 确认应答

通过序号和确认号可以确认接收方是否接收到了网络包。

最开始，在讲解TCP头部信息时，有个属性叫做序列号（或者叫序号）。

TCP模块会对应用进程传递来的请求报文信息进行分组（根据MSS长度为单位），然后为每个分组封装对应的TCP报文头部信息，分组中的每一个字节信息都有对应的序列号，此时TCP头部中序列号属性值 = 该分组中第一个字节数据的序列号。

TCP头部有了序列号信息，接收方收到的数据就可以根据序列号进行排序（防止乱序），出现重复序列号的分组数据就可以进行去重操作（丢掉）。

关于确认应答其实就比较好理解，最开始讲解三次握手、四次挥手时经常提到一个ack，就是确认号ack，确认号就是：接收方告知发送方已经收到所有数据的第几个字节。这样发送方就能够得知接收方是否真的接收到的分组信息。

通过序列号 + 确认应答这种回合制（一问一答）方式就能很好的保障双方数据报文传递的可靠性！

4、重传机制

特殊情况下，数据包会出现丢失和延迟等情况，例如：接收方暂时宕机、网络抖动等…
TCP协议作为可靠的传输协议自然要处理这些极端情况，总不能数据包丢失了就不要了吧？所以TCP有了重传机制，常见的重传方式主要分为4种（其中重点介绍前2种）：

• 超时重传
• 快速重传
• SACK
• D-SACK

4.1、超时重传

超时重传比较好理解，根据字面意思：如果发送方长时间没有收到接收方的确认应答就会将数据包进行重传操作，当然超时重传并不是只针对发送方重传，接收方在返回响应数据包时也可能丢失，也需要进行超时重传的操作。

具体来说就是发送方在发送数据包后，会设置一个定时器，定时器的时间叫做超时重传时间（RTO），该时间范围内未收到接收方ACK标志位的TCP数据包，就会进行重传操作。

当然RTO时长会影响到 TCP 的性能，应该根据具体网络的实际状况动态地进行调整。

• RTO 设置太小：会导致数据不必要重传，增加网络负担。
• RTO 设置太大，会导致数据传输的延迟，降低吞吐量。

• 情况1：发送方请求数据包丢失。
  

• 情况2：接收方响应数据包丢失。
  

特殊场景：即便触发了超时重传，重传的数据包很有可能再次超时；此时TCP会将下一次重传的超时时间设置为当前RTO时长2倍。这样还是会极大的影响TCP传输的整体性能，所以有了快速重传这种方式。

4.2、快速重传

快速重传不是通过时间来判断是否该进行重传操作，而是通过冗余ACK报文确认是否出现了问题，才考虑是否要触发快速重传。

如下图所示，多次响应的ACK报文确认号都是报文段2的TCP头部确认号，这样接收端就明白该报文信息是有问题的！就触发了快速重传功能。所以，快速重传：是当收到三个相同的 ACK确认号报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段（seq2）。

说到这里，特别解释一下，上图中跟之前提到的确认应答方式有些不同，上图这种属于连续发送请求，并不是必须等待应答后再发送下一次请求，这种方式叫做累计应答，是TCP的滑动窗口机制提供的功能，后续会提到！

关于SACK和D-SACK重传方案细节，这里就不做详细介绍了，如果有兴趣可以参考其他文章。

5、流量控制

TCP协议是通过滑动窗口进行流量控制，在介绍滑动窗口之前，先通过一个场景了解一下什么是流量控制。发送方进行数据发送操作需要考虑一下接收方的数据接收能力；如果发送方数据发送太快，接收方来不及接受处理，那就会导致接收方把大量数据包存放到缓冲区中，缓冲区如果放慢那就将多余的数据包扔掉，这样势必会导致网络带宽资源的浪费。

所以，TCP通过滑动窗口来控制发送的发送速率（窗口大小），从而让接收方更从容的接收处理数据包！

5.1、累计应答

在讲解3.2、快速重传时有个场景，不知道大家注意到没有，就是当我们发送一次seq数据包时还未等到拿到确认号报文就可以再次发送下一次seq数据包，这跟我们之前提到的确认应答好像有点冲突！

其实确认应答这种回合制交互方式效率还是很低的…如果往返时间（RTT）过长，网络的使用效率势必会受到极大的影响！所以能不能连续发送多次TCP分组，不需要等待响应再进行下次发送操作呢？所以TCP报文头中有个窗口大小属性，该属性开辟一个缓冲区（或者叫窗口），本质就是操作系统一块内存区域，用于存放发送出去的分组数据，不需要让发送方等待接收方的确认应答数据包，发送方可以连续发送数据，只要不超出缓冲区（窗口）大小。

如果连续发送数据包过程中，个别数据包发送失败，可以通过下一次应答来确认，根本不需要重发！这种连续发送TCP分组的机制，我们称之为累计应答（通过窗口大小限制），如下图：

5.2、滑动窗口

滑动窗口是操作系统开辟的一个缓存区，发送方如果没收到确认应答TCP数据包，需要缓冲区中保留已发送的数据。收到应答后从缓存区清除数据。

滑动窗口的大小（rwnd）由接收方来掌控主导的。毕竟能接收处理多少字节数据，接收方自己是心知肚明的，总不能吃饱了继续喂吧，那不得撑坏咯。如果发送方的窗口大小rwnd为0，那就不允许继续发送数据了（说明接收方还没处理完毕呢！），那么发送方会不断的向接收方进行询问：你还有空间接收处理吗？如果接收方有可用窗口了，就会告诉发送方，发送方会根据接收方的响应调整维护接收方自己的滑动窗口，继续快乐的进行发送了！

发送方、接收方窗口调整流程如下（图片来自：小林Coding）。

• 发送方窗口：
  
  
  
• 接收方窗口：
  

双方彼此进行交互，各自不断调整维护滑动窗口缓冲区大小，这样就不会出现发送方发送能力远远大于接收方处理能力的场景，从而达到了流量控制的目的！

6、拥塞控制

该小节图片均来自于小林Coding！

上面解释完了流量控制，接下来先来看看这二者有哪些相似、不同之处。

• 关于二者作用：
  • 流量控制：防止发送方发送数据量大于接收方接收处理数据的速度，从而导致数据丢失、重传，造成网络效率低下。
  • 拥塞控制：防止发送方将大量数据输入到网络链路中，从而导致网络传输链路拥挤堵塞，传输速率降低、延迟，同样会导致数据丢失、重传，网络效率低下。
• 关于二者窗口：
  • 流量控制：滑动窗口rwnd，窗口大小为1 = 能传1字节数据
  • 拥塞控制：拥塞窗口cwnd，窗口大小为1 = 能传1个数据包

拥塞控制主要就是为了防止：大量的数据包输入到网络中，让网络传输负载过大，导致大量的丢包、重传，恶性循环！
所以我们就需要控制发送方，通过拥塞窗口cwnd根据当前网络状态动态调整窗口大小，从而避免当网络链路阻塞时，还大量的将数据包发送给接收方！一般情况下，在规定时间内没有收到接收方的确认TCP报文，就可以认为当前网络状况较为阻塞。

拥塞控制主要分为以下4种算法，接下来依次详细解释一下：

• 慢启动（慢开始）
• 拥塞避免
• 拥塞发生
• 快速恢复

6.1、慢启动

听名字就能理解：刚开始启动时候，要慢点向网络链路中输入数据，刚开始不能用力过猛，应该先输入少量数据，然后判断网络拥塞状况不断的调整拥塞窗口cwnd的大小。如果起初就直接注入大量的数据到网络中，很有可能直接导致网络拥塞堵塞的情况发生。关于窗口大小扩容：发送方每收到一个 ACK 确认报文，拥塞窗口 cwnd 的大小就会双倍增长：1，2，4，8，16.....

6.2、拥塞避免

但是慢启动这种成倍增长并不是一直生效的，慢启动持续增长到一定阶段会进入到拥塞避免阶段。那么什么时候进行切换呢？
这里要引出一个概念叫做慢启动门限 ssthresh。

• 当 cwnd < ssthresh ，就使用慢启动算法。
• 当 cwnd >= ssthresh ，就会切换拥塞避免算法

例如：当前的ssthresh = 8，那么当拥塞窗口cwnd大小达到慢启动门限ssthresh ，就从指数增长变成线性增长（慢启动变成拥塞避免）

6.3、拥塞发生

可惜好景不长，拥塞避免的线性增长慢慢也会导致网络进入拥塞状态，从而导致丢包现象的发生。之前提到过丢包时TCP会触发重传机制（超时重传 + 快速重传）。

• 当发生超时重传时的拥塞发生算法：直接变成了慢启动阶段…惨不忍睹！
  • ssthresh 设为 cwnd/2，
  • cwnd 重置为 1 （恢复为 cwnd 初始值，假定初始值 1）

• 当发生快速重传时的拥塞发生算法：接收方接收到之前数据包三次相同的ACK触发
  • cwnd = cwnd/2
  • ssthresh = cwnd
  • 进入快速恢复算法

6.4、快速恢复

TCP会认为超时重传比快速重传的网络拥塞状况更严重，毕竟快速重传的触发条件是：接收方收到三次相同的ACK包。

当发生快速重传后会直接切换到快速恢复算法：

• cwnd = ssthresh + 3
• 重传丢失的数据包
• 如果收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1
• 如果收到新的 ACK，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh（原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，可以回到恢复之前的状态，即再次进入拥塞避免）