TCP的可靠性传输是如何保证的

冷不防 2022-11-13 06:22 203阅读 0赞

## 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。

### **检验和** ###

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。

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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。

### **序列号/确认应答** ###

这个机制类似于问答的形式。比如在课堂上老师会问你“明白了吗？”，假如你没有隔一段时间没有回应或者你说不明白，那么老师就会重新讲一遍。其实计算机的确认应答机制也是一样的，发送端发送信息给接收端，接收端会回应一个包，这个包就是应答包。

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上述过程中，只要发送端有一个包传输，接收端没有回应确认包（ACK包），都会重发。或者接收端的应答包，发送端没有收到也会重发数据。这就可以保证数据的完整性。

### **超时重传** ###

超时重传是指发送出去的数据包到接收到确认包之间的时间，如果超过了这个时间会被认为是丢包了，需要重传。那么我们该如何确认这个时间值呢？

我们知道，一来一回的时间总是差不多的，都会有一个类似于平均值的概念。比如发送一个包到接收端收到这个包一共是0.5s，然后接收端回发一个确认包给发送端也要0.5s，这样的两个时间就是RTT（往返时间）。然后可能由于网络原因的问题，时间会有偏差，称为抖动（方差）。

从上面的介绍来看，超时重传的时间大概是比往返时间+抖动值还要稍大的时间。

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但是在重发的过程中，假如一个包经过多次的重发也没有收到对端的确认包，那么就会认为接收端异常，强制关闭连接。并且通知应用通信异常强行终止。

### **最大消息长度** ###

在建立TCP连接的时候，双方约定一个最大的长度（MSS）作为发送的单位，重传的时候也是以这个单位来进行重传。理想的情况下是该长度的数据刚好不被网络层分块。

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### **滑动窗口控制** ###

我们上面提到的超时重传的机制存在效率低下的问题，发送一个包到发送下一个包要经过一段时间才可以。所以我们就想着能不能不用等待确认包就发送下一个数据包呢？这就提出了一个滑动窗口的概念。

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窗口的大小就是在无需等待确认包的情况下，发送端还能发送的最大数据量。这个机制的实现就是使用了大量的缓冲区，通过对多个段进行确认应答的功能。通过下一次的确认包可以判断接收端是否已经接收到了数据，如果已经接收了就从缓冲区里面删除数据。

在窗口之外的数据就是还未发送的和对端已经收到的数据。那么发送端是怎么样判断接收端有没有接收到数据呢？或者怎么知道需要重发的数据有哪些呢？通过下面这个图就知道了。

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如上图，接收端在没有收到自己所期望的序列号数据之前，会对之前的数据进行重复确认。发送端在收到某个应答包之后，又连续3次收到同样的应答包，则数据已经丢失了，需要重发。

### **拥塞控制** ###

窗口控制解决了 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。为此TCP引入慢启动机制，先发出少量数据，就像探路一样，先摸清当前的网络拥堵状态后，再决定按照多大的速度传送数据。

此处引入一个拥塞窗口：

发送开始时定义拥塞窗口大小为1；每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；而在每次发送数据时，发送窗口取拥塞窗口与接送段接收窗口最小者。

慢启动：在启动初期以指数增长方式增长；设置一个慢启动的阈值，当以指数增长达到阈值时就停止指数增长，按照线性增长方式增加至拥塞窗口；线性增长达到网络拥塞时立即把拥塞窗口置回1，进行新一轮的“慢启动”，同时新一轮的阈值变为原来的一半(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。

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