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TCP如何保证可靠性

news 来源：原创 2025/9/12 12:45:56

- 回顾TCP协议
- - TCP报文头部
- TCP如何保证可靠性？
- - 校验和
  - 序列号
  - 确认应答机制（ACK）
  - 超时重传机制
  - 连接管理机制（三次握手和四次挥手）
  - 流量控制
  - - 滑动窗口
    - 滑动机制
  - 拥塞控制
  - - 慢开始 & 拥塞避免
    - 快重传 & 快恢复

回顾TCP协议

什么是TCP协议：面向连接的，可靠的，传输层协议

发送和接收的速率不一样 =》发送缓存 & 接收缓存

TCP利用发送缓存 & 接收缓存来进行流量控制和差错控制

IP层必须以分组为单位发送数据，而不是字节流，所以TCP把若干字节流组成一个分组，称为报文段，TCP给报文段加上TCP头部，然后交给IP层。报文段在接收时有可能会失序，丢失，或者受到损伤和重传

TCP报文头部

在这里插入图片描述

端口号16位：pow(2, 64) - 1 = 65535(网络端口最大65535)
URG标志，表示紧急指针（urgent pointer）是否有效。
ACK标志，表示确认号是否有效。我们称携带ACK标识的TCP报文段为确认报文段。
PSH标志，提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收到的数据读走，它们就会一直停留在TCP接收缓冲区中）。
RST标志，表示要求对方重新建立连接。我们称携带RST标志的TCP报文段为复位报文段。
SYN标志，表示请求建立一个连接。我们称携带SYN标志的TCP报文段为同步报文段。
FIN标志，表示通知对方本端要关闭连接了。我们称携带FIN标志的TCP报文段为结束报文段。
16位窗口大小（window size）：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。
16位校验和（TCP check sum）：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。
16位紧急指针（urgent pointer）：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

TCP如何保证可靠性？

校验和

TCP检验和的计算与UDP一样，在计算时要加上12byte的伪首部，检验范围包括TCP首部及数据部分，但是UDP的检验和字段为可选的，而TCP中是必须有的。计算方法为：在发送方将整个报文段分为多个16位的段，然后将所有段进行反码相加，将结果存放在检验和字段中，接收方用相同的方法进行计算，如最终结果为检验字段所有位是全1则正确（UDP中为0是正确），否则存在错误。

序列号

TCP将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。序列号的作用：
* 保证可靠性（当接收到的数据总少了某个序号的数据时，能马上知道）
* 保证数据的按序到达
* 提高效率，可实现多次发送，一次确认
* 去除重复数据

数据传输过程中的确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号来实现

确认应答机制（ACK）

TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部中有一个标志位——ACK，此标志位表示确认号是否有效。接收方对于按序到达的数据会进行确认，当标志位ACK=1时确认首部的确认字段有效。进行确认时，确认字段值表示这个值之前的数据都已经按序到达了。而发送方如果收到了已发送的数据的确认报文，则继续传输下一部分数据；而如果等待了一定时间还没有收到确认报文就会启动重传机制。

超时重传机制

TCP协议要求在发送端每发送一个报文段，就启动一个定时器并等待确认信息；接收端成功接收新数据后返回确认信息。若在定时器超时前数据未能被确认，TCP就认为报文段中的数据已丢失或损坏，需要对报文段中的数据重新组织和重传。

连接管理机制（三次握手和四次挥手）

参考：tcp三次握手，Wireshark实践

参考：tcp四次挥手

在这里插入图片描述

流量控制

Sender won’t overflow receiver’s buffer by transmitting too much, too fast.

流量控制就是：让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接受。利用滑动窗口机制可以很方便的在TCP连接上实现对发送方的流量控制

滑动窗口

tcp双方都各自维护一个发送窗口和一个接收窗口

（1）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来通知发送端
（2）窗口大小字段越大，说明网络的吞吐率越高
（3）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，即就是说不需要接收端的应答，可以一次连续的发送数据
（4）操作系统内核为了维护滑动窗口，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

在这里插入图片描述

ps:发送缓冲区如果太大，就会有空间开销

（5）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，发送端收到这个值后，就会减慢自己的发送速度

（6）如果接收端发现自己的缓冲区满了，就会将窗口的大小设置为0，此时发送端将不再发送数据，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

ps：在TCP的首部中，有一个16为窗口字段，此字段就是用来存放窗口大小信息的

滑动机制

在TCP中，窗口的大小是在TCP三次握手后协定的，并且窗口的大小并不是固定的，而是会随着网络的情况进行调整。

主要的方式就是返回的ACK中会包含自己的接收窗口的大小，并且利用大小来控制发送方的数据发送：
在这里插入图片描述

发送窗口只有收到发送窗口内字节的ACK确认，才会移动发送窗口的左边界。
接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界。当在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下，窗口不会移动，并不对后续字节确认。以此确保对端会对这些数据重传。
遵循快速重传、累计确认、选择确认等规则。
发送方发的window size = 8192;就是接收端最多发送8192字节，这个8192一般就是发送方接收缓存的大小。

TCP的滑动窗口协议有什么意义呢？