TCP协议如何确保可靠传输

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关于“tcp协议如何确保可靠传输”这个问题，网上的资料参差不齐。近期开始在图书馆读一些教材，带着问题读了以下书目的关于TCP的章节，总结记录了下来。

• 德国波茨坦大学《internetworking Technische Grundlagen und Anwendungen》/《网络技术基础与应用》（christoph meinel,harald sack）
• 《深入理解计算机网络》（王达）
• 《计算机网络教程自顶向下的方法》（Behrouz A.Forouzan Firouz Mosharraf）
• 《计算机网络》（张曾科、阳宪惠）
• 《计算机网络》第7版（谢希仁）

为什么TCP需要可靠传输呢

• 网络层是不可靠。网络层的任务仅仅是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。
• 传输层性质所致，上层需要可靠性。因而传输层的主要任务是根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。
• UDP通过牺牲可靠性，换取尽力交付、通信效率高、确保数据的实时性的特点。自然需要TCP的出现，来对使用需求互补完善。

因而以上3点，可靠传输的重担交予到了TCP之上。

 

TCP怎么做到可靠传输呢

为了实现可靠传输的目的，TCP使用4个解决方案：面向连接的传输机制、超时重传控制、可变滑动窗口流量控制、 拥塞控制。

 

面向连接的传输机制

使用了三次握手、四次挥手，这个比较常见，大家一般都熟悉了，就不冗余赘述了。

校验和，确认应答（ACK），序列号。

并对重复无效的ACK进行处理，收下后并丢弃，实现自动重传请求。

 

超时重传控制

当报文发出后在一定的时间内未收到接收方的确认，发送方就会进行重传。每发送一个分组，就设置一个超时重传计时器，当收到对方返回的ack，就撤销已设置的超时计时器。为实现这一步，有三个注意点：

• 发送后保留副本，以备重传时使用，收到对方返回的ack后，才清除副本。
• 编号。
• 超时重传计时器的时间设置适考虑时延、拥塞的等不确定因素，因而重传时间设置会比数据分组的平均往返时间更长一些。

 

可变滑动窗口流量控制

窗口分为发送窗口和接收窗口。简单而言，接收方把能接受的数据大小（接受窗口大小），通过ACK反馈予发送方，从而设置协调发送内容大小。细节有以下几点：

• 当发送数据超出接收方窗口大小时，超出部分重传； 
• 当发送数据小于接收方窗口大小时，发送方继续发送内容；
• 并不是对每一个报文段都有ACK的回复，可能时一至多个报文段，发送一个ACK;
• 当收到的报文段个数缺失，收到的报文段会存入缓存，等待发送方重传缺失的报文段；合并完整，再返回ACK；如果长时未收到缺失的报文段，则缓存中的报文段会被一并清空。

 

 拥塞控制

拥赛控制的算法有四种：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。

• 慢开始：由小到大逐步增加拥塞窗口数值。

       拥塞窗口初始值 = 1至两个发送方最大报文段的数值；

       拥塞窗口每次增加量 = min(新收到确认报文的字节数，发送方最大报文段的数值)。

• 拥塞避免:让拥塞窗口换慢增大。

      每经过一个RTT就滑动窗口大小就只加1；

• 快重传：接收方收到的数据后立即确认，一个数据包回一个确认ACK, 以实现尽早知道当中个别报文的丢失。

      例如，当发送过程中M3数据包丢失，接收方只收到了M2与M4数据包时，接收方连续返回3个M2的ACK予发送方（提示发送方漏了M3小兄弟）；

      发送方收到3个连续的M2的ACK后，立即重传M3数据包。

• 快恢复：遇到网络拥塞后，立马减小拥塞窗口。

      设置一个ssthresh作为使用拥塞避免算法的起始点，通过这个ssthresh值为滑动窗口最大门限值的一半。

 

理解以上四个算法思路，看下面这个图就轻而易举了：

 

总结：TCP因为位于传输层，承上启下，解决下层网络层的不可靠问题，为会话层提供提供可靠连接；并实现对UDP使用的互为补充。

TCP可靠性主要通过面向连接的传输机制、超时重传控制、可变滑动窗口流量控制、 拥塞控制实现。