计算机网络 - TCP

基础

根据之前网络通信分层结构的介绍， 我们知道TCP是位于传输层的协议。为什么要分层，不就是为了“各司其职，更加灵活”嘛。应用层，负责制造数据出来；网络层，负责找到数据要发到的正确地方；而中间的传输层则是为了保证数据交到网络的“效率”。

TCP的定义：面向连接的，可靠的流式传输协议。以下我们将会围绕TCP的定义来介绍。

面向连接

TCP定义的第一条就是面向连接，也就是说通信双方得先建立连接才能继续后续步骤。经典的三次握手，四次挥手，就是TCP协议建立连接/终止连接的方式：

• 为什么需要三次握手
  其实就是为了保证通信双方都能确定两边的发送和接收都是正常的。
  
• 为什么要四次挥手
  因为TCP协议是全双工的，也就是说连接建立好之后，两边都可以同时发送数据，接收数据。如果不经过四次挥手，只由一方发送结束连接，另一方确认的话，就会进入半关闭状态，即被动关闭方还能向主动关闭方发送数据，只有四次挥手后，才会完全关闭。
  

流式传输

应用程序交给TCP的数据是结构化数据，但TCP把它们都当做无结构的字节流来传输。

滑动窗口

传输的方式，是用了一种“滑动窗口”的策略。

从《TCP/IP 详解》一书中摘取的例子🌰：假设需要从svr4传输8192个字节到bsdi

第一张图是整个数据报文发送的过程，第二张图是其对应的滑动窗口移动的示意图。

能够看出，滑动窗口的大小是由接收方进行通告的，代表发送方能发送的数据大小。而发送方不必发送全窗口大小的数据，例如窗口是4096，但发送方的一次数据报文只有1024个字节。接收方ACK数据后，窗口的左边沿会向右移动，代表左侧所有数据都被ACK了。接收方通告的窗口大小是基于ACK的，也就是说如果左边沿向右移动了，窗口大小仍然不变，相当于右边沿也向右侧移动了。

拥塞窗口 & 慢启动 slow start

在上述滑动窗口的描述中，发送方能发送的数据最大值是接受方通告的窗口大小；但是加上慢启动的优化， 发送方能发送的数据最大值其实是通告窗口和拥塞窗口的最小值。

多了一个拥塞窗口 cwnd

之前的方式如果在同一个局域网中没有什么问题，但是在存在多个路由器，存在速率慢的链路的网络中，就会有问题。就像很堵车的时候，可能就会限行，否则一个车也走不了了。拥塞窗口的存在就是为了防止网络过载。

通告窗口是接收方使用的流量控制,与接收方在该连接上的可用缓存大小有关，拥塞窗口是发送方使用的流量控制，是发送方感受到网络拥塞的估计。

机制

建立TCP连接的时候，cwnd被初始化为1个报文段，每收到一个ACK，cwnd就增加一个报文段（即指数式增长，发送1个报文段，收到ACK,cwnd+1, 发送两个报文段，收到2个ACK, cwnd+2,发送四个报文段...），这就是cwnd的窗口大小。

慢启动的🌰:发送方在处于慢启动的时候必须要等到ACK后才能继续发送，因为cwnd此时为1。

拥塞避免

拥塞避免和慢启动通常在一起实现。但是他们的目的是不一样的。慢启动是为了在拥塞发生时，控制发送数据的速率，让进入网络中的分组少点。而中间路由器可能有个负荷的极限，超过这个极限会丢掉分组。也就是说当分组丢失的时候，可以用来表征此时网络中发生了拥塞，拥塞避免就是来处理丢失分组的方法。

cwnd完整版

拥塞避免和慢启动需要对每个TCP连接维持两个变量，一个拥塞窗口cwnd和一个慢启动门限ssthresh,其工作流程可视化描述如下：

（ps 看书看了半天文字描述，感觉越来越混乱，还是看图好理解一点）。

图示里，慢启动门限ssthresh设置为16即假定cwnd为32个报文段的时候会发生拥塞。图示0<t<=4的时候，TCP处于慢启动阶段，其cwnd的增大遵循我们上述的规则，收到一个ACK就+1（呈指数增大）。当cwnd达到ssthresh的时候，此时最多一个往返时间里，cwnd+1而不是一个ACK就+1，此后cwnd呈线性增加。

ssthresh的值：当拥塞发生时（超时或者收到重复ACK）,被设置成当前窗口大小的一半。

TCP粘包拆包

TCP只是保证传输的，应用层交给TCP的结构化数据在TCP看来都是无结构的字节流。那么就有可能，应用层眼里的两条消息，TCP是一起发送出去的（粘包）。解决方式：

• 规定长度并补齐：发送端将每个包都封装成固定的长度，比如100字节大小。如果不足100字节可通过补0或空等进行填充到指定长度；
• 规定边界：发送端在每个包的末尾使用固定的分隔符，例如\r\n。如果发生拆包需等待多个包发送过来之后再找到其中的\r\n进行合并；例如，FTP协议；
• 规定结构并读取长度：将消息分为头部和消息体，头部中保存整个消息的长度，只有读取到足够长度的消息之后才算是读到了一个完整的消息；
• 通过自定义协议进行粘包和拆包的处理。

可靠性

超时重传

TCP提供可靠的传输层协议，可靠的保证，就是发送数据后会收到一个确认ACK（参考滑动窗口部分）。但是ACK也可能会丢失，那怎么解决呢？TCP通过一个定时器来解决，如果超时还没有收到ACK，就重传该数据。一个简单的超时重传🌰如下图所示，括号里的是两次报文的时间间隔，可以看到在第7到18行的重传过程中，时间间隔从1s,3s,6s,12s,24s,48s到多个64s，这种x2时间重试被叫做指数退避（exponential backoff）。从第6行首次传到19行复位中间间隔了差不多9分钟，该时间在TCP中是固定的。至于重传定时器如何确定需要重传，RTT（给定连接的往返时间）怎么计算的之类的，这里就不做了解了。

快重传 & 快恢复

当接收方收到不按顺序的数据段时，他会立刻返回重复的ACK给发送方，发送方收到三个重复ACK后，会立刻重传这些丢失的数据段，如下图所示：