TCP为什么是可靠的传输

TCP为什么是可靠的传输

(1)检验和
TCP检验和的计算与UDP一样,在计算时要加上12byte的伪首部,检验范围包括TCP首部及数据部分,但是UDP的检验和字段为可选的,而TCP中是必须有的。
计算方法为:
在发送方将整个报文段分为多个16位的段,然后将所有段进行反码相加,将结果存放在检验和字段中,接收方用相同的方法进行计算,如最终结果为检验字段所有位是全1则正确(UDP中为0是正确),否则存在错误。
(2)序列号
TCP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:
a、保证可靠性(当接收到的数据总少了某个序号的数据时,能马上知道)
b、保证数据的按序到达
c、提高效率,可实现多次发送,一次确认
d、去除重复数据
数据传输过程中的确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号来实现
(3)确认应答机制(ACK)
TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部中有一个标志位——ACK,此标志位表示确认号是否有效。接收方对于按序到达的数据会进行确认,当标志位ACK=1时确认首部的确认字段有效。进行确认时,确认字段值表示这个值之前的数据都已经按序到达了。而发送方如果收到了已发送的数据的确认报文,则继续传输下一部分数据;而如果等待了一定时间还没有收到确认报文就会启动重传机制。

(4)超时重传机制 ---- 快重传
当报文发出后在一定的时间内未收到接收方的确认,发送方就会进行重传(通常是在发出报文段后设定一个闹钟,到点了还没有收到应答则进行重传)

 当然,未收到确认不一定就是发送的数据包丢了,还可能是确认的ACK丢了:
 
 当接收方接收到重复的数据时就将其丢掉,重新发送ACK。而要识别出重复的数据,就要用到前面提到的序列号了,利用序列号很容易就可以做到去重的效果。 
 重传时间的确定:报文段发出到收到应答中间有一个报文段的往返时间RTT,显然超时重传时间RTO会略大于这个RTT,
 TCP会根据网络情况动态的计算RTT,即RTO是不断变化的。在Linux中,超时以500ms为单位进行控制,每次判定超时重发的超时时间
 都是500ms的整数倍。其规律为:如果重发一次仍得不到应答,就等待2*500ms后再进行重传,如果仍然得不到应答就等待4*500ms后重传,
 依次类推,以指数形式递增,重传次数累计到一定次数后,TCP认为网络或对端主机出现异常,就会强行关闭连接。

(5)连接管理机制 连接的一个可靠性
连接管理机制即TCP建立连接时的三次握手和断开连接时的四次挥手。
6)拥塞控制 (拥塞避免、慢开始)
流量控制解决了 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;线性增长达到网络拥塞时立即“乘法减小”,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。
(7)流量控制
接收端处理数据的速度是有限的,如果发送方发送数据的速度过快,导致接收端的缓冲区满,而发送方继续发送,就会造成丢包,继而引起丢包重传等一系列连锁反应。
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,这个机制叫做流量控制。

 在TCP报文段首部中有一个16位窗口长度,当接收端接收到发送方的数据后,在应答报文ACK中就将自身缓冲区的剩余大小,
 放入16窗口大小中。这个大小随数据传输情况而变,窗口越大,网络吞吐量越高,而一旦接收方发现自身的缓冲区快满了,
 就将窗口设置为更小的值通知发送方。如果缓冲区满,就将窗口置为0,发送方收到后就不再发送数据,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。

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