TCP如何保证可靠传输
TCP通过检验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制来实现可靠性传输
确认应答(ACK)机制
- 正常数据传输，若接收方收到了发送方的数据，就会返回一个ACK响应确认已经收到
- TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号，每个ACK都带有对应的确认序号，意思是告诉发送方，我已经收到了哪些数据，下一次你应该从哪里开始发。
超时重传
- 主机A发给主机B的数据，可能会由于网络拥塞等原因，使得主机B未收到数据，丢包的情况
- 如果主机A在一定时间间隔内未收到主机B的应答，就会将数据重发
但是如果情况是主机B收到了数据，但是返回的ACK包丢失了，导致主机A为收到应答呢？
上述情况主机B会收到重复的数据那么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，这就是TCP协议的去重机制，也是保证TCP传输可靠性的机制。
确认重发时间
- 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.
- Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍.
- 如果重发一次之后, 仍然得不到应答, 等待 2*500ms 后再进行重传.
- 如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传. 依次类推, 以指数形式递增.
- 累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接
连接管理机制
- TCP与UDP不同，它是面向连接的，TCP连接的建立与断开至少要来回发送7个数据包才可能完成
流量控制
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(Flow Control);
- 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;
- 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
- 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;
- 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; 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
拥塞控制
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题.
因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据,是很有可能引起雪上加霜的.
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;
- 此处引入一个概念程为拥塞窗口
- 发送开始的时候, 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;
- 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口;
像上面这样的拥塞窗口增长速度, 是指数级别的. “慢启动” 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快.
- 为了不增长的那么快, 因此不能使拥塞窗口单纯的加倍.
- 此处引入一个叫做慢启动的阈值
- 当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性方式增长
提高网络利用率
滑动窗口
按照我们之前的说法，TCP在传输数据的是发一次数据，给一个应答，就会出现下图所示的情况，那如果一个报文很长的话，这样包往返的时间很长，网络吞吐量就会很差。
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)
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000个字节(四个段).
- 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;
- 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高;
- 有了滑动窗口机制，可以无需等待应答，直接发送数据
- 滑动窗口其实是TCP发送缓冲区中的一部分
- 滑动窗口的大小是由接收方接收缓冲区的大小决定的，在双方第一次通信时，发送方就会通过报文确定接收方接收缓冲区的大小
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;
一定要记得, 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; 那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;
- 数量限制: 每隔N个包就应答一次;
- 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
具体的数量和超时时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时时间取200ms;
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
