TCP协议之如何保证传输的可靠性

一、问题

TCP协议之如何保证传输的可靠性？我们先看下TCP的头部图片和TCP头部的字段

/*TCP头定义，共20个字节*/
typedef struct _TCP_HEADER 
{
  short m_sSourPort;        　　　　　 // 源端口号16bit
  short m_sDestPort;       　　　　　　// 目的端口号16bit
  unsigned int m_uiSequNum;       　　// 序列号32bit
  unsigned int m_uiAcknowledgeNum;    // 确认号32bit
  short m_sHeaderLenAndFlag;      　　// 前4位：TCP头长度；中6位：保留；后6位：标志位
  short m_sWindowSize;       　　　　　// 窗口大小16bit
  short m_sCheckSum;        　　　　　 // 检验和16bit
  short m_surgentPointer;      　　　　// 紧急数据偏移量16bit
} __attribute__((packed))TCP_HEADER, *PTCP_HEADER;

二、保证可靠性的手段

1）、校验和（只要协议的包头里面有校验和都支持：比如TCP协议 UDP协议 IP协议）

校验和：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。

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。

2）、确认号与序列号（TCP协议包头里面分别是32位，序列号去掉服务端收到的重复数据）

序列号：TCP传输时将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号（通过序列号可以去重）
确认应答：TCP传输的过程中，每次接收方收到数据后，都会对传输方进行确认应答。也就是发送ACK报文。这个ACK报文当中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收到了哪些数据，下一次的数据从哪里发。

序列号的作用不仅仅是应答的作用，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去掉重复序列号的数据。这也是TCP传输可靠性的保证之一

3）、超时重传

（1）、发送数据过程中为什么没有客户端没有收到服务端返回的ACK的数据包

发送方发送一部分数据后，都会等待接收方发送的ACK报文，但是这时候发送方没有收到ACK的数据包是怎么回事？

数据在传输过程中由于网络原因等直接全体丢包，接收方根本没有接收到（发送服务端中途丢包）
收方接收到了响应的数据，但是发送的ACK报文响应却由于网络原因丢包了（服务端收到包，返回客户端丢包）

（2）、重传机制

TCP在解决这个问题的时候引入了一个新的机制，叫做超时重传机制：就是发送方在发送完数据后等待一个时间，时间到达没有接收到ACK报文，那么对刚才发送的数据进行重新发送。

如果是刚才第一个原因，接收方收到二次重发的数据后，便进行ACK应答。

如果是刚才第二个原因，接收方发现接收的数据已存在（判断存在的根据就是序列号，所以上面说序列号还有去除重复数据的作用），那么直接丢弃，仍旧发送ACK应答

（3）、重传时间间隔

在Linux中（BSD Unix和Windows下也是这样）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。重发一次后，仍未响应，那么等待2*500ms的时间后，再次重传。等待4*500ms的时间继续重传。以一个指数的形式增长。累计到一定的重传次数，TCP就认为网络或者对端出现异常，强制关闭连接。

4）、连接管理

就是三次握手与四次挥手的过程，可以看我的这篇博客 TCP之三次握手和四次挥手过程

5）、流量控制

我们知道实现流量控制是基于滑动窗口来实现的，请看我的这篇滑动窗口的博客 TCP之滑动窗口

6）、拥塞控制

TCP传输的过程中，发送端开始发送数据的时候，如果刚开始就发送大量的数据，那么就可能造成一些问题。网络可能在开始的时候就很拥堵，如果给网络中在扔出大量数据，那么这个拥堵就会加剧。拥堵的加剧就会产生大量的丢包，就对大量的超时重传，严重影响传输。

所以TCP引入了慢启动的机制，在开始发送数据时，先发送少量的数据探路。探清当前的网络状态如何，再决定多大的速度进行传输。这时候就引入一个叫做拥塞窗口的概念。发送刚开始定义拥塞窗口为 1，每次收到ACK应答，拥塞窗口加 1。在发送数据之前，首先将拥塞窗口与接收端反馈的窗口大小比对，取较小的值作为实际发送的窗口。

拥塞窗口的增长是指数级别的。慢启动的机制只是说明在开始的时候发送的少，发送的慢，但是增长的速度是非常快的。为了控制拥塞窗口的增长，不能使拥塞窗口单纯的加倍，设置一个拥塞窗口的阈值，当拥塞窗口大小超过阈值时，不能再按照指数来增长，而是线性的增长。在慢启动开始的时候，慢启动的阈值等于窗口的最大值，一旦造成网络拥塞，发生超时重传时，慢启动的阈值会为原来的一半（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。

拥塞控制是TCP在传输时尽可能快的将数据传输，并且避免拥塞造成的一系列问题。是可靠性的保证，同时也是维护了传输的高效性。