保证TCP可靠性的机制

一、确认应答机制

在TCP中，当发送端的数据到达接收端的主机时，接收端的主机会返回一个已经收到该消息的通知，这个通知就是确认应答（ACK）每一个ACK报文中带有对应的确认序号，意思就是告诉发送端，我成功接受了你发的哪些数据，下一次你应该从哪里开始发

***：

TCP将每一个字节的数据都进行了编号，即为***。

• TCP是面向字节流的，它对每一个字节都进行了编号，比如发送端发送了一个1~1000字节的数据，接收端拿到数据以后，就会回复一个ack=1001的确认号，表明1001字节之前的数据我都收到了。
•  每个ACK都带有对应的确认***，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据，下一次你从哪里开始发送 
• TCP在发送数据时，并不是按顺序发送的，接收端接收到数据之后，按序号排序，如果中间某个数据报丢失了，之后的数据报还是会被接收，但是不会对发送端返回之后的确认，而是会重复发送对丢失出之前的数据确认，保证发送端会对丢失的数据段进行重发。
• TCP规定，若确认号=N，则表明，到序号N-1为止的所有数据都已经正确的收到 
• 建立连接时，双方发送的SYN报文和ACK报文段都是不携带数据的，但是会消耗一个序号，这个序号通常是随机值
• TCP规定，首部中序号字段的值是本报文段发送数据的第一个字节的序号。

二、超时重传机制

主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B ，如果主机A在一个特定的时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发，即超时重传。

但若A未收到B发来的确认应答，也有可能是ACK丢失了，此时A再次发送数据给B主机，B就会收到很多重复的数据，TCP协议就要识别出这些重复的包，并且把重复的丢弃掉，这个时候我们就可以利用前面提到的***，很容易就能达到去重的效果

超时重传的过程：

1. 放置片段到重传队列中，启动计时器：TCP在发送包含数据的片段后，片段都会被复制一份并放在重传队列中，然后启动计时器。

2. 确认处理：如果在计时器超时之前收到确认信息，就把该片段从重传队列中移除

3. 超时重传：如果在计时器超时之前没有收到确认信息，则相应片段被重新发送给对方，即重传机制，但是TCP也不能保证重传报文的可靠性，所以该报文依然会处于重传队列中，并重新计时，如果还是超时，则重复这一动作，而且超时时间会设置的较之前长，但是TCP只会重传一定数量的次数，因此当超过这个次数时，TCP会检查故障并断开连接

4. 这个等待的时间被称为RTO，RTO也是根据RTT（传输往返时间）来确定的，也和当时网络的状态有关系，需要通过具体算法实现，不是确定值

• 如果超时时间设置的太长，会影响整体的重传效率
• 如果超时时间设置的太短，会频繁发送很多重复的包

5.去重：当主机B的确认报文丢失时，主机A没有收到相应的确认报文，就会重传，主机B会收到重复的报文，TCP会根据报文中的***来移除重复收到的报文。

 三、流量控制

1.利用滑动窗口实现流量控制 

滑动窗口：

• 窗口大小是指无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值
• 在发送数据时并不是一次发送窗口的大小，而是将其分段，当第一段的数据收到一个ACK应答时，窗口就会向后滑动，继续发送下一段数据
• 操作系统内核为了维护滑动窗口，开辟了一个发送缓冲区，用来记录当前还有哪些数据没有应，只要没有应答过的数据，都要在缓冲区内保存，只有确认应答过的数据才能删除

流量控制过程：

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，就会导致接收端的接收缓冲区被塞满，这时发送端再持续发送数据的话就会引起丢包，继而引发发送端的超时重传等等一系列反应，导致资源浪费。
TCP中引入了流量控制机制，意思就是根据接收端处理数据的能力来控制发送端发送数据的速度。

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小填充到TCP的报文头部中的“窗口大小”的字段中，通过ACK确认应答发送给发送端。
• 窗口大小字段越大，说明网络吞吐量。
• 如果接收端一旦发现自己的接收缓冲区快满了，就会将窗口大小设置为一个更小的值发送给发送端，发送端接收到这个窗口后，就会减缓自己的发送速度。
• 如果接收端接收缓冲区彻底满了，接收端就会将窗口大小设置为0，这时发送端便停止发送数据段，但是会定时的发送一个窗口探测报文，以此来获取接收端的接收缓冲区状态。

我们的TCP首部中有个16位窗口字段，但是实际的窗口大小最大值不一定是65535字节，TCP首部40字节选项中还有一个窗口扩大因子M，实际的窗口大小是窗口字段的值左移M位

四、拥塞控制

拥塞：既对资源的需求超过了可用的资源，若网络中许多资源同时供应不足，那么网络的性能就要明显的变坏，整个网络的吞吐量随之负荷的增大而下降。

拥塞控制：防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载. 拥塞控制所要做的都有一个前提：网络能够承受现有的网络负荷. 拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机，路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

几种常见的控制方法： 慢开始，拥塞避免，快重传 ， 快恢复。

慢开始和拥塞避免：

虽然TCP中有了滑动窗口机制，能够高效可靠的发送大量的数据，但是也不可以从一开始就发送大量数据段，因为网络上有很多的计算机，可能此时的网络就已经比较拥堵了，在不清楚当前网络的状态下，贸然发送大量数据，这就会严重影响TCP传输的效率和性能

TCP引入“慢启动”机制，开始先发送少量数据，探探路，当探清当前网络状态，再决定按照多大的速度发送数据

• 此处引入拥塞窗口的概念，TCP开始传输数据的时候，拥塞窗口设置为1
• 当收到一个ACK后，拥塞窗口加1，当经过一个传输轮次（其实就是往返时间RTT）后，拥塞窗口就是加倍
• 每次发送数据段的时候，拿着拥塞窗口和接收端反馈的窗口大小作比较，取较小的值作为实际发送数据的大小
• 拥塞窗口的增长是指数级别的，“慢启动”只是开始时比较慢，但是增长速度非常快

• 但是拥塞窗口也有一个阈值，到达或超过阈值后就变为线性增长，而不是指数级别增长了。（也就是拥塞避免算法）

• 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值

• 每次超时重发时，慢启动的阈值就会编程原来的一半，同时拥塞窗口变成1

少量丢包，我们仅仅触发超时重传，如果丢大量的包，我们就认为网络拥塞

拥塞控制归根结底是，TCP协议想尽快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大的压力的折中方法

 

快重传和快恢复：

快重传：

• 当1001~2000这段报文段丢失后，发送端就会以指收到1001的ACK，它告诉发送端，我收到了1~1000的数据报，我想要1001，但是后面的报文段它也会接收，却仍然发送丢失之前的应答
• 直到接收方连续三次收到同样一个“1001”这样的应答，就会将对应的数据“1001~2000”重新发送
• 接收端收到1001~2000之后，就会直接返回ACK=7000（因为2001~7000接收端之前都收到过了，都放在了接收缓冲区中），这就是快重传

与快重传配合使用的还有快恢复算法，其过程有以下两点：

1. 当发送端连续收到三个重复确认，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限ssthresh减半，为了防止网络发送拥堵
2. 由于发送端现在认为网络很有可能没有发生拥堵，因此与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，而是将cwnd的值设置为慢开始门限ssthresh减半后的数值，然后开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大！