TCP 如何保证可靠性

TCP 通过如下几种方式保证消息的可靠性：

• 连接管理
• 序列号和确认号
• 校验和
• 数据分块
• ARQ 协议
• 超时重传
• 流量控制
• 拥塞控制

连接管理

三次握手，四次挥手。简单来说通过 TCP 定时器以及挥手、握手保证发送方、接收方都确认自身能正常收发消息

关于这块前面博客有详细介绍，这里不再赘述

序列号和确认号

TCP 对每个字节的数据都进行了编号，这个编号也叫序列号。序列号包含以下功能：

1. 保证数据有序
2. 去重
3. 保证可靠性（接收方总能发现少了哪一段数据）

确认号只有在 ACK 报文中才有效，进行确认时，确认号 ack 表示这个值之前的数据已经按序到达。接收方收到 ACK 报文后，就可以接着发送下一段数据，如果没有收到就启动超时重传机制

报文是指应用层的数据单元、数据段是说传输层的数据单元，在本篇两者暂时不区分

校验和

发送方在发送数据前将整个数据段分为多个 16 位的段，对每个段进行反码相加运算，将计算结果保存在校验和字段中。接收方收到数据后用同样的方法进行计算，最终校验字段全为 1 说明数据正确、否则数据异常

校验和的目的在于检验数据在传输过程中是否发生变化，如果校验和检验异常，TCP 将丢弃这个数据段并不返回 ACK

数据分块

TCP 每次将应用数据划分为多个数据块分批发送，存在以下几种情况就可能造成粘包、拆包问题

1. 发送方写入的数据大于缓冲区大小会造成拆包
2. 发送方写入的数据小于缓冲区大小，当发送方收集了多个较小的分组，会一起发送给接收方，造成粘包
3. TCP 报文数据大于 MSS（最大报文长度）时发生拆包
4. 发送方发送速度过快，接收方处理不及，在缓存区发送粘包

对于粘包、拆包问题，一般通过以下几种方式处理：

1. 消息头部记录消息长度，接收方每次读取指定长度数据
2. 固定消息长度，接收方根据该长度每次读取一条完整的数据，消息不够长时，补空位（浪费网络资源）
3. 设置消息边界，接收方根据消息边界分割不同消息

并不是只要数据包黏在一起就需要处理粘包，当接收方同时收到多个分组，并且分组间无关系时才需要处理粘包；如果多个分组属于同一数据不同部分时，无需处理粘包问题

ARQ 协议

ARQ 协议规定发送方每次放松完一组数据后，直到收到接收方的确认信号才继续发送下一组数据

超时重传

发送方发完数据并在指定时间内没有收到 ACK 报文时重新发送数据。这里包含两种场景：

1. 发送方数据未到达接收方
2. 接收方返回 ACK 报文未到达发送方

对于场景一来说，发送方超时重传即可、对于场景二，发送方由于未收到 ACK 报文还会重发数据，接收方通过序列号识别数据是否已收到，如果收到直接放弃数据，重发 ACK 报文

超时重传通过前面博客提到的重传定时器实现，这里重传的时间通过以下逻辑计算：RTO（超时重传时间）随着 TCP 网络状态的不同动态变化。在 linux 中，默认以 500 ms 为单位，第二次变为 2 * 500 ms，第三次变为 4 * 500ms，判断是否超时的时间随指数递增，直到达到最大超时时长，此时 TCP 认为连接无效，主动断开连接

一般情况下接收方收到数据后不会立即应答（延时应答定时器），它先等一会判断是否有需要返回的数据随着 ACK 报文一起返回，减少交互的次数，提高整体效率

流量控制

接收方处理数据的速度是有限的，发送方发送数据过快可能导致接收方缓冲区被占满，如果此时继续发送报文就可能造成丢包。为了解决丢包问题，TCP 根据接收方的处理能力控制发送方发送的数据大小，这种机制就叫流量控制

接收方每次收到数据后，会将自己剩余的缓冲区大小放入 TCP 报文的窗口属性返回，告诉发送方自己所能接收的数据大小，窗口值越大说明网络吞吐量越大，一旦接收方缓冲区已满就返回 0，告诉发送方暂时不要发送数据。直到缓冲区不满后返回发送方 ACK 报文告诉发送方可以发送的数据大小。为了防止该 ACK 报文丢失，TCP 引入坚持定时器，发送方根据坚持定时器定期发送窗口探测数据段，获取接收方窗口大小

拥塞控制

流量控制只能保证网络状况良好的情况下，发送方不会由于接收方缓冲区满而造成丢包。然而如果网络环境非常拥堵，再发送数据只会加剧网络负担，此时发送的报文很有可能丢失。拥塞控制主要防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况。具体实现有：慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复。这里拥塞控制引入滑动窗口（cwnd）的概念

慢启动：为了防止一开始发送大量的数据导致网络拥塞，慢启动规定一开始发送少量数据，探探网络情况，即从小到大的增大发送窗口。开始时令 cwnd 为 1，如果收到 ACK 报文，cwnd 值每次变为原来的两倍，即呈指数倍递增。为了防止指数倍后面一次性增加太大，造成网络拥塞，慢启动设置慢启动上限 ssthresh

• 当 cwnd < ssthresh 时，呈指数倍增长
• 当 cwnd > ssthresh 时，停止指数增长，转而采用拥塞避免策略
• 当 cwnd = ssthresh 时，两者均可

拥塞避免：每经过一个 RTT （从发送方发送到收到 ACK 一轮的时间）， cwnd 值加 1，呈线性增长，防止继续慢启动造成网络拥塞

用网络拥塞发生时，ssthresh 变为发生拥塞时的窗口大小的一半，cwnd 重置为1，然后再次重复慢启动-》拥塞避免

快重传：接收方一旦收到失序的报文立即发送确认报文，不启用延时确认定时器

举个例子：发送方发送 Msg1 ~ Msg4 这 4 个报文，接收方收到 Msg1、Msg3、Msg4。此时由于接收方收到失序报文，根据快重传，接收方会立即返回发送方 Msg1 的 ACK 报文，并且发送三次，发送方根据收到的 ACK 报文重发未确定的数据段

快恢复：快恢复算法配合快重传算法一起使用：

当发送方连续收到 3 个相同 ACK 报文，说明发送网络拥塞，慢开始上限 ssthresh 值减半。此时发送方认为网络可能没有拥塞（报文丢失），和慢开始不同，他将 cwnd 值设置为 ssthresh 的一半，之后根据拥塞避免策略执行

最后

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