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网络原理 - 4（TCP - 1）

news 来源：原创 2025/7/16 15:47:16

TCP 协议

TCP 协议段格式

可靠传输

几个 TCP 协议中的机制

1. 确认应答

2. 超时重传

完！

TCP 协议

TCP 全称为 “传输控制协议”（Transmission Control Protocol），要对数据的传输进行一个详细的控制。

TCP 协议段格式

TCP 的报头对比于 UDP 的报头，就复杂很多了~~~

源端口号，目的端口号：和 UDP 还是一样的，表示数据是从那个进程来，到那个进程去。

32 位序号和 32 位确认序号，后面再详谈

4 位首部长度：首部长度也就是报头长度（header），不像 UDP 协议（报头固定是 8 个字节），TCP 报头中的前 20 个字节是固定长度的。后面这里包含了“选项（optional）”部分，选项部分可以有，也可以没有，可以有一个，也可以有多个。总的来说，表示了该 TCP 头部有多少个 32 位 bit（有多少个 4 字节），4 位首部长度，则说明 TCP 头部最大长度是 15(1111) * 4 = 60

保留位（reserved）：在 UDP 协议中，长度受到 2 个字节的限制，想要进行扩展，发现无法扩展，一旦改变了报头长度，就会使得发送的 UDP 数据报和其他机器不兼容，无法通信。TCP 就提前做好了防备，设定报头的时候，提前准备了几个保留位（虽然不用，但先占个位置），后面一旦需要了，就把这些保留位给使用起来。

URG，ACK，PSH，PST，SYN，FIN：6 位标志位，是 TCP 协议中非常核心的部分，后面会详细展开

16 位窗口大小：后面再详谈

16 位校验和：类似于 UDP 的校验和一样。会把报头和数据载荷放在一起进行校验和。

16 位紧急指针：可以表示那部分数据是紧急数据。

TCP 内部的机制有非常多，上述报头的字段都是针对 TCP 中的各个机制的属性支撑，我们要详细了解 TCP 中的其他机制，才能更加深刻的认识到报头的含义。

可靠传输

前面我们提到 TCP 的特点：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。其中，TCP 中最核心，最重要的就是解决“可靠传输”的问题。

网络通信的过程是及其复杂的，无法确保发送方发出去的数据，100% 能够到达接收方。此处所提到的可靠性，只能“退而求其次”，只要尽可能的去进行发送，发送方能够知道对方是否收到，就认为是“可靠传输”了。

几个 TCP 协议中的机制

1. 确认应答

用来确保可靠性最核心的机制，称为“确认应答”。

举个栗子：A 和 B 进行交互~

A 向 B 发出消息说：“兄弟，晚上有事情吗，一起吃个饭”，B 回复：“好呀好呀”

但是当 A 再说出下面这句“借我5000块”，B 看到之后，心想，果然没按好心，会回复”滚呀滚呀“。

但是上面情况的时序，有些过于理想化了，实际上，网络传输过程中，经常会出现”后发先至”的情况。

网络通信中，为什么会出现“后发先至”的情况呢？？？

当一个数据报从发送方到接收方，其数据报会经历许多交换机 / 路由器，其传输过程中走的路径可能不一样，第一个数据包，可能走路线一，第二个数据包，走路线二...

有可能路线二畅通，路线一发生阻塞了，这就会导致，数据包二虽然后发，但是会先到达接收方。

我们上述的对话就可能变成这样：

如果出现后发先至的情况，再去理解这里的含义，就会出现问题了！！！

为了解决上述的问题，就引入了序号和确认序号，对数据进行编号，应答报文里面，就告诉发送发，我这次应答的是那个数据！

当然，我们上述的情况是一个简化版本的模型，真实的 TCP 协议的情况是更加复杂的。

TCP 是面向字节流的，以字节为单位进行传输的，没有“一条两条”的概念。

实际上，TCP 的序号和确认序号都是以字节来进行编号的。

这就呼应到我们前面 TCP 协议中报头的 32 位序号了，在 TCP 的报头中的序号，只能存一个。

比如说有如下数据报：

即假设载荷有 1000 个字节，1000 个序号，由于序号是连续的，只需要在报头中保存第一个字节的序号 - 2001 即可，后续字节的序号都是很容易计算得到的~

而应答报文中的确认序号，是按照发送过去的最后一个字节的序号再加 1 来进行设定的~

确认应答 1001 的含义，有两种或理解方式：

1. 数据小于 1001 的数据，都已经收到了

2. 发送方接下来要给我（接收方）发 1001 开始的数据了

TCP 的确认应答是确保 TCP可靠性的最核心的机制！！！

（错误的说法：TCP 之所以能够保证可靠性，是因为“进行了“三次握手”）

在确认应答中，通过应答报文来反馈给发送方，表示当前的数据正确收到了。应答报文，也叫做 ACK(acknowledge) 报文。这个 ACK 是不是有些熟悉呢？？？就是我们刚刚在报头结构中的 6 位标记位中的一位~~~平时的普通报文，ACK 这位是 0，如果当前报文是应答报文，则此时这个报文的 ACK 位置就是 1。

2. 超时重传

超时重传这个机制，是对确认应答的补充。

如果一切顺利，通过应答报文，接收方就可以告诉发送方，当前数据是不是成功收到了，但是，网络上可能存在“丢包”的情况。如果数据包丢了，没有到达对端，对方自然也就没有 ACK 报文了。

这个情况下，就需要超时重传了！

TCP 可靠性就是在对抗丢包，期望做到，在丢包情况客观存在的时候，也能够尽可能的把包传过去！

大概流程如下：

发送方发了个数据过去之后，要等一段时间。在等待的这段时间中，收到了接收方发来的 ACK（数据报在网络上传输也是需要时间的）如果等了好久，ACK 还没有等到，此时发送方就会人数数据的传输出现丢包情况了，当认为丢包之后，就会把刚才的数据包再传一次（重传），等待的过程有一个时间上的阈值（上限），就是超时。

上面的流程中，是认为没收到 ACK 就是丢包，其实这样说是有些问题的。

丢包，不一定就是发的数据丢了，还有可能是，ACK 丢了。数据丢了，还是 ACK 丢了，在发送方的角度来看，咦，都是一样的呀，就是收不到接收方的 ACK

当我们是上面这种情况下，接收方本身就没收到数据，此时进行重传是理所应当的，没有任何问题~~~

但如果是上图这种情况呢？？？数据已经被 B 收到了，再传输一次，同一份数据，B 就会收到两次，试想一下，如果发送的请求是扣款请求呢？？？（扣两次款？？？用户一定会猛喷！！！）

其实不然~~~

TCP socket 在内核中，存在一个接收缓冲区（一块内存空间），发送方发来的数据，是要先放到接收缓冲区中的，然后应用程序调用 read / scanner.next 才能读取到数据，这里的读操作，其实是读取接收缓冲区中的数据。

当数据到达接收缓冲区的时候，接收方首先会判定一下，看当前缓冲区中，是否已经有这个数据了（也会判定，这个数据曾经是否在缓冲区中存在过），如果已经存在或者存在过，就直接把重发发来的数据就丢弃了~~就能确保应用程序，在调用 read / scanner.next 的时候，不会出现重复数据~~~

那接收方是如何判定这个数据是否是“重复数据”呢？？？

核心的判定依据，还是我们刚刚提到过的 -- 数据的序号！！！

1. 数据还在缓冲区里面，还没有被 read 走，此时，我们就要拿着新收到的数据的序号，和缓冲区中的数据的序号对一下，看看有没有一样的，有一样的，就是重复了，就可以把新收到的数据丢弃了。

2. 数据已经被应用程序给 read 走了，此时新来的数据的序号就无法直接在接收缓冲区中查到了。

但是！！！应用程序在读取数据的时候，是会按照序号的先后顺序，连续进行读取的！！！

先读 1 - 1000， 1001 - 2000， 2001 - 3000。

一定是先读序号小的数据，然后再读序号大的数据（可以把接收缓冲区理解为带有优先级的阻塞队列）。此时 socket API 中就可以记录上次读的最后一个字节的序号是多少。

比如上次读的最后一个字节的序号是 3000，新收到一个数据包的序号是 1001，则这个 1001 一定是之前已经读过的了~这个时候，同样可以把这个新的数据包判定为“重复的包”直接丢弃掉~~~

上面谈到的 ACK，重传，保证顺序，自动取宠，其实都是 TCP 已经内置好了的，我们使用 TCP 的 API 的时候，outputStream.write() 只需要简单的调用这一行代码，上述功能都自动生效了~~~

（UDP 的不可靠，我们就需要好好考虑一下上面的问题了~~~）

补充：

超时是会重传，但是重传过程中，也是有一定策略的。

1. 重传次数是有上限的，重传到一定的程序，还没有收到 ACK，就会尝试重置连接，如果充值也失败，发送方就会直接放弃连接。

2. 重传的超时时间阈值也不是固定不变的，会随着重传次数的增加而增大。（换句话讲，就是重传的频率会越来越低）（因为：如果经历过了重传之后，还出现了丢包情况，那大概率是网络出现了比较严重的问题了，再怎么重传，也是白费劲，不如省点力气~~~）

举个栗子：

假设：一次网络通信过程中，丢包的概率是 10%（这已经是一个非常夸张的数字了！！！）

包能顺利到达的概率是 90%，那我们重传了一次，却又发生丢包，即两次传输数据都丢包的概率是 10% * 10% = 1% ==》换个角度看，两次传输包至少有一次能到达的概率是 99%，随着重传的次数增加，包到达接收方的概率也会大大增加，如果我们连续重传了三四次仍然还是发生丢包，只能说明，此时的丢包率是非常非常非常大了，意味着此时的网络已经出现了非常非常严重的故障了！！！再重传也意义不大了~~~

完！