tcp-可靠传输的原理

TCP报头

在网络-tcp报文段首部结构这篇博客中，介绍了tcp的报文头结构，本文介绍tcp的可靠传输如何实现及与报文头结构的关系。报文头如下：

tcp可靠传输概述

tcp可靠传输的原理是什么？重传。

同步传输：哪些情况下会重传

1. 包丢失，导致发送方一直没收到接收方的回包
2. 包损坏，接收方返回NAK，或者接收方的回包本身被损坏（需要用到TCP报头第五行的16位校验和字段来判断是否损坏）

同步传输：如果是因为回包失败，那么会重复发包，如何去重

给包加上编号01，用来区分前后两个包。接收方返回的ACK包里面包含是哪个包的ACK信息，这里采用接下来期望哪个包来表达（为啥？），如果接收端已经正确收到0包，此时在收到一个0包，则忽略这个新的0包，返回ACK(1)，那么发送方接下来就知道发送1包。有了包编号，就可以将上面提到的NAK给去掉，用ACK来表达：比如0包损坏，就返回ACK(0)；否则返回ACK(1)。这里将包损坏和包重复两种情况合并了，这两中情况的结果都是让发送方在发一个包，只不过是发送包的编号不同（ACK里面的参数是下一次期望接受的包的编号）。

同步传输太慢，如何改为异步传输（并发传输）

那就是一次要传输多个包。

扩充编号

• 首先多个包需要区分，原来用01编号不行，那就用一个更大的序号编号，即TCP报头第二行的32位序列号。这样看，只需要一个序列号字段就可以了，发送方序列号里面存本次发送的包的编号，接收方的回包里面存下次期望收到的编号，这样看起来也行啊？需要注意的是，这样需要区分发送方和接收方，是一个单工协议，只能单方面专递消息；而TCP是一个双工协议，所以需要序列号和确认号两个号码：序列号里面存储本次发送的包的编号，确认号里面存储期望从对方那里收到的下一个包的编号。序列号和确认好分别位于TCP报头的2、3行，各32位。

并发度为多少：一次可以发多少个包

• 发送方一次最多可以发多少个包这个值称为滑动窗口长度，存储在TCP报头的第四行后16位；当前能发的包的范围成为滑动窗口，包括已发送未收到ACK有可能要重发的、能发送还未发送的这两种。滑动窗口长度即tcp报头第四行后16字节里面存的值主要是用来限流的，但是滑动窗口本省确实用来进行可靠传输的。

乱序到达的包接收端怎么处理以及对应的发送端如何重传

• 多个包有可能乱序到达，接收端有两种选择：一种是将非本次期望的包给丢弃，这样虽然发送端是并行的，但是接收端是串行的，而且这样乱序到达的包都是不必要的，会浪费传输资源；另一种是将乱序到达的包缓冲起来，每个包插入到其对应的位置，将低水位的包链（从期望包开始一段连续没有空缺的包）传递给引用层。那么，TCP使用的是那种方式呢？
  
  • 对于缓冲了的情况，只需要把缺失的包补齐即可，所以就是选择重传。选择重传因为会缓冲分组，数据并没有丢失，为了避免发送方超时重复发送，所以每收到一个分组就返回一个ACK，但是发送方只有收到最开始的那个ACK才能移动滑动窗口。因为每个都会返回ACK，那么如果没收到ACK的包就是真超时了，需要重传，这需要为每个包设置一个计时器。
    
    
    接收方对于收到[rcvbase-N,rcvbase-1]的包，有可能是前面的包的ACK超时，所以也需要回ACK，不然发送方滑动窗口的不能移动。
  • 对于没缓冲的情况，如果有一次乱序到达，此时乱序到达的都被丢弃，是需要从下一个ACK开始重传所有包的。如果每个接受的包都会一个ACK，那么将造成大量不必要的传输，此时接收方选择累计ACK会比较好。由于是整批发送，所以只需要设置一个计时器就可以了。
    

滑动窗口大小问题

• 对于go-back-n，这里有个问题，假设序列号是k位，那么 可以有2^k中序号（0……2^k -1），假如说发送方的将这2^k次方个序列号都使用，极端情况下，0到2^k-2号的ACK都丢失，只有2^k -1的ACK到达（ACK(0)），这之前发送方检测到0包超时，重发了一个0包，此时接收端如何区分这个0包是新一轮的0包还是发送方重传的0包呢？解决办法是让同时并发发送的包的个数小于2^k,即最大为2^k-2，此时会返回ACK(2^k-1)，接收方看到不是自己期望的包(2^k-1)，会将0包丢弃。即并发发送包的数量要小于2^k，最大值为2^k-1。这个并发发送包的数量称为发送方滑动窗口的大小，在TCP报头的第4行的右边16个字节，（2^16<2^32）。
  
• 对于选择重传：