TCP的可靠性

TCP协议传输的特点是面向字节流、传输可靠、面向连接

TCP确保传输可靠性的方式

• 校验和
• 序列号
• 确认应答
• 超时重传
• 连接管理
• 流量控制
• 拥塞控制
  其中序列号和校验和是对针对传输数据的可靠性；确认应答和超时重传针对传输过程可靠性；
  连接管理是针对建立连接时的可靠性；流量控制和拥塞控制针对避免出现超时重传和丢包的现象从而提高传输的可靠性。

TCP报文格式

• 源端口（16位长）－识别发送连接端口

• 目的连接端口（16位长）－识别接收连接端口

• 序列号（seq，32位长）

  • 如果含有同步化旗标（SYN），则此为最初的序列号；第一个数据比特的序列码为本序列号加一。
  • 如果没有同步化旗标（SYN），则此为第一个数据比特的序列码。

• 确认号

  • 确认号（ack，32位长）—期望收到的数据的开始序列号。也即已经收到的数据的字节长度加1。

• 数据偏移

  • 数据偏移（4位长）—以4字节为单位计算出的数据段开始地址的偏移值。

• 保留位置

  • 保留（3比特长）—须置0

• 标志符（9比特长）

  • NS—ECN-nonce。ECN显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification）是对TCP的扩展，定义于RFC 3540（2003）。ECN允许拥塞控制的端对端通知而避免丢包。ECN为一项可选功能，如果底层网络设施支持，则可能被启用ECN的两个端点使用。在ECN成功协商的情况下，ECN感知路由器可以在IP头中设置一个标记来代替丢弃数据包，以标明阻塞即将发生。数据包的接收端回应发送端的表示，降低其传输速率，就如同在往常中检测到包丢失那样。
  • CWR—Congestion Window Reduced，定义于RFC 3168（2001）。
  • ECE—ECN-Echo有两种意思，取决于SYN标志的值，定义于RFC 3168（2001）。
  • URG—为1表示高优先级数据包，紧急指针字段有效。
  • ACK—为1表示确认号字段有效
  • PSH—为1表示是带有PUSH标志的数据，指示接收方应该尽快将这个报文段交给应用层而不用等待缓冲区装满。
  • RST—为1表示出现严重差错。可能需要重新创建TCP连接。还可以用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
  • SYN—为1表示这是连接请求或是连接接受请求，用于创建连接和使顺序号同步
  • FIN—为1表示发送方没有数据要传输了，要求释放连接。

• 可选项
  选项字段—最多40字节。每个选项的开始是1字节的kind字段，说明选项的类型。

  • 0：选项表结束（1字节）
  • 1：无操作（1字节）用于选项字段之间的字边界对齐。
  • 2：最大报文段长度（4字节，Maximum Segment Size，MSS）通常在创建连接而设置SYN标志的数据包中指明这个选项，指明本端所能接收的最大长度的报文段。通常将MSS设置为（MTU-40）字节，携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU（MTU最大长度为1518字节，最短为64字节），从而避免本机发生IP分片。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。
  • 3：窗口扩大因子（3字节，wscale），取值0-14。用来把TCP的窗口的值左移的位数，使窗口值乘倍。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。这是因为现在的TCP接收数据缓冲区（接收窗口）的长度通常大于65535字节。
  • sackOK—发送端支持并同意使用SACK选项。
  • SACK实际工作的选项。
  • 时间戳（10字节，TCP Timestamps Option，TSopt）

校验和

计算方式：对数据以16位为单位进行相加起来。并且前面的进位不能丢弃，补在后面，最后取反，得到校验和。
发送方：在发送数据之前计算检验和，并进行校验和的填充。
接收方：收到数据后，对数据以同样的方式进行计算，求出校验和，与发送方的进行比对。
注意：如果接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。

确认应答和序列号

序列号：TCP传输时对每一个字节的数据都进行编号，这就是序列号。
确认应答：接受方接受到数据后都会对发送方进行其确认应答。即发送ACK报文。这个报文中就含有对应的确认序列号。告诉发送方接受到哪些数据，下一次的数据从哪里开始发。
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

超时重传

接受方接受到数据没有发送ACK报文(确认应答)，或者发送ACK报文发送方没有收到。发送方在一定时间内没有收到ACK，就会将数据重新发送一次。若接受方发现接受方的数据已存在就直接将数据丢弃。

连接管理

即三次握手和四次挥手

流量控制

接收端在接收到数据后，对其进行处理。如果发送端的发送速度太快，导致接收端的结束缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据，那么接下来发送的数据都会丢包，继而导致丢包的一系列连锁反应，超时重传呀什么的。而TCP根据接收端对数据的处理能力，决定发送端的发送速度，这个机制就是流量控制。

在TCP协议的报头信息当中，有一个16位字段的窗口大小。在介绍这个窗口大小时我们知道，窗口大小的内容实际上是接收端接收数据缓冲区的剩余大小。这个数字越大，证明接收端接收缓冲区的剩余空间越大，网络的吞吐量越大。接收端会在确认应答发送ACK报文时，将自己的即时窗口大小填入，并跟随ACK报文一起发送过去。而发送方根据ACK报文里的窗口大小的值的改变进而改变自己的发送速度。如果接收到窗口大小的值为0，那么发送方将停止发送数据。并定期的向接收端发送窗口探测数据段，让接收端把窗口大小告诉发送端。
注：16位的窗口大小最大能表示65535个字节(64K)，但是TCP的窗口大小最大并不是64K。在TCP首部中40个字节的选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际的窗口大小就是16为窗口字段的值左移M位。每移一位，扩大两倍。

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。

总结：

1. 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。(这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变)。
2. 确认响应：对于一个收到的请求，将发送一个确认。这个确认通常要延迟几分之一秒。
3. 超时重传: 当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。
4. TCP给发送的每一一个包进行编号 ,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用层。(TCP报文段作为IP数据报来传输，IP数据报的大 刀可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序，如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序)。
5. 校验和: TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错, TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
6. IP数据报会发生重复，TCP的接收端会丢弃重复的数据。
7. 流量控制: TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间 , TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的我数据。当接收方来不及处理发送方的数据,能提示发送方降低发送的速率,防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。
   字节流服务::
   两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务(bytestreamservice)。
8. 拥塞控制:当网络拥塞时,减少数据的发送。