TCP 协议的相关特性

墨蓝 2023-09-27 18:34 103阅读 0赞

**TCP**全称为 “传输控制协议(Transmission Control Protocol”)，TCP拥有8大特性来保证稳定性

我们先来看一下TCP协议段格式

![e2e1592bfbb54cb5ac92a982765b6d0a.png][]

\-源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；

\-4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是 15 \* 4 = 60

6位标志位:

> URG：紧急指针是否有效
> 
> ACK：确认号是否有效
> 
> PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
> 
> RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为**复位报文段**
> 
> SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为**同步报文段**
> 
> FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为**结束报文段**

## 1.确认应答 ##

![d2bbdcdcdb50462a93b417cef5808485.png][]

TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。

![335ea2a9aa7c430ca671b751215fabb2.png][]每一个ACK都带有对应的确认序列号，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。

## 2.超时重传 ##

![04883e54afd44f458736ddc46f96b4ef.png][]

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在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；**

> 但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了

因此主机B会收到很多重复数据。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包，并且把重复的丢弃掉。

这时候我们可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果

超时的时间如何确定呢？

> 最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证 "确认应答一定能在这个时间内返回"。
> 
> 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。
> 
> 如果超时时间设的太长，会影响整体的重传效率。
> 
> 如果超时时间设的太短，有可能会频繁发送重复的包。

**TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态计算这个最大超时时间**

## 3.连接管理 ##

在正常情况下，TCP要经过**三次握手**建立连接，**四次挥手**断开连接

![5de947516e60463cb98e05cb57731027.png][]

## 4.流量控制 ##

### 滑动窗口 ###

刚才我们讨论了确认应答策略，对每一个发送的数据段，都要给一个ACK确认应答。收到ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点，就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候

![a2043ac9fdbd4dcc92a72d93535b2af6.png][]

既然这样一发一收的方式性能较低，那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能（其实是将多 个段的等待时间重叠在一起了）

![fd38e27acf5b478d960aa5eb6341b819.png][]

> 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送
> 
> 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据，依次类推
> 
> 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应 答
> 
> 只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉

![e9f4f81ba7dc4a5a8dd32bbfbe5e201d.png][]

那么如果出现了丢包，怎么进行重传？

**情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了**

![1603f3b42c3049058b1835c82fadf730.png][]

这种情况下，部分ACK丢了并不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认

**情况二：数据包就直接丢了**

![921a649ca285410fbd8e97428ce21150.png][]

> 当某一段报文段丢失之后，发送端会一直收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 "我想 要的是 1001" 一样
> 
> 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答，就会将对应的数据 1001 -
> 
> 2000 重新发送

接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发 送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。

因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做**流量控制**

> 1. 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段，通过ACK端通知发送端；
> 
> 2. 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
> 
> 3. 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；
> 
> 4. 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
> 
> 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；
> 
> 5. 这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一 个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

## 5.拥塞控制 ##

TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；

![58a20234c9dd4e8a96ea6c29b48decad.png][]

当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；

在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；

## 6.延迟应答 ##

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答，这时候返回的窗口可能比较小

> 假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；如果立刻应答，返回的窗口就是500K； 但实际上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了； 在这种情况下，接收端处理还远没有达到自己的极限，即使窗口再放大一些，也能处理过来； 如果接收端稍微等一会再应答，比如等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是 1M；

窗口越大，网络吞吐量就越大，传输效率就越高。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率；

## **7.捎带应答** ##

在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是 "一发一收" 的。意味着客户 端给服务器说了 "How are you"，服务器也会给客户端回一个 "Fine, thank you"； 那么这个时候ACK就可以搭顺风车，和服务器回应的 "Fine，thank you" 一起回给客户端

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