TCP的可靠传输机制

TCP的报文是交给IP层传送的，但是IP层只能提供尽最大努力交付的服务，也就是说，TCP下面的网络所提供的是不可靠传输，其实就是传输信道是不可靠的（所谓的信道，就是指连接信号发送方和接收方的传输线路，包括双绞铜线、同轴电缆、光纤、陆地无线电或者卫星无线电等物理媒体）这时，传输层的可靠传输机制就显得特别重要。

一、可靠传输的要求

所谓的可靠，就是能保证数据的正确性，无差错、不丢失、不重复、并且按序达到。

二、TCP可靠传输的机制原理

TCP首先采用三次握手来建立连接、四次挥手来释放连接。其次TCP采用了连续ARQ协议，即自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest）来保证数据传输的正确性，使用滑动窗口协议来保证接收方能够及时处理接收到的数据，进行流量控制。最后TCP使用慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复来进行拥塞控制，避免网络拥堵。下面我们将分别介绍三次握手、四次挥手、连续ARQ、拥塞控制。

1、tcp的三次握手的过程和必要性（这里假设A是client，B是server）

三次握手过程：

第一次握手：A发送SYN包（SYNC=j）到达B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认

第二次握手：B收到SYN包后，也会发送一个SYN包给A，这个包里面带有ACK=j+1用来确认A的SYN，和B自己的SYN=k，B进入SYN_RECV状态

第三次握手：A收到B的SYN+ACK包，向B发送确认包ACK（ACK=k+1），发送完毕，A和B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手

三次握手的必要性：

假如只进行一次握手，客户端发送连接请求后，没有收到服务端的应答，是没法判断连接是否成功的。

假如只进行两次握手，客户端发送连接请求后，会等待服务器端的应答。但是会出现的问题是，假如客户端的SYN迟迟没有到达服务器端，此时客户端超时后，会重新发送一次连接，假如重发的这次服务器端收到了，且应答客户端了，连接建立了。但是建立后，第一个SYN也到达服务端了，这时服务端会认为这是一个新连接，会再给客户端发送一个ACK，这个ACK当然会被客户端丢弃。但是此时服务器端已经为这个连接分配资源了，而且服务器端会一直维持着这个资源，会造成浪费

三次握手，两次握手的问题在于服务器端不知道SYN的有效性，所以如果是三次握手，服务器端会等待客户端的第三次握手，如果第三次握手迟迟不来，服务器端就会释放相关资源。但是有人会问，假如第三次握手没有到达服务器端呢？但是这时客户端认为连接已经建立了。但是其实这种情况下，只要客户端向服务器端写数据，就会收到服务器端的RST应答，这时客户端就能知道出现问题了。

2、tcp的四次挥手过程和必要性（假设A是client B是server，且最开始都处于ESTABLISHED状态）

第一次挥手：A->B，A向B发出释放连接请求的报文，其中FIN（终止位） = 1，seq（序列号）=u；在A发送完之后，A的TCP客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。此时A还是可以进行收数据的

第二次挥手：B->A：B在收到A的连接释放请求后，随即向A发送确认报文。其中ACK=1，seq=v，ack（确认号） = u +1;在B发送完毕后，B的服务器端进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态。此时A收到这个确认后就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B发出连接释放的请求。此时B还是可以发数据的

第三次挥手：B->A：当B已经没有要发送的数据时，B就会给A发送一个释放连接报文，其中FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1，在B发送完之后，B进入LAST-ACK（最后确认）状态。

第四次挥手：A->B；当A收到B的释放连接请求时，必须对此发出确认，其中ACK=1，seq=u+1,ack=w+1;A在发送完毕后，进入到TIME-WAIT （时间等待）状态。B在收到A的确认之后，进入到CLOSED（关闭）状态。在经过时间等待计时器设置的时间之后，A才会进入CLOSED状态。

四次挥手的原因：

其实是客户端和服务端的两次挥手，也就是客户端和服务端分别释放连接的过程。可以看到，客户端在发送完最后一次确认之后，还要等待2MSL的时间。主要有两个原因，一个是为了让B能够按照正常步骤进入CLOSED状态，二是为了防止已经失效的请求连接报文出现在下次连接中。

解释：

1）、由于客户端最后一个ACK可能会丢失，这样B就无法正常进入CLOSED状态。于是B会重传请求释放的报文，而此时A如果已经关闭了，那就收不到B的重传请求，就会导致B不能正常释放。而如果A还在等待时间内，就会收到B的重传，然后进行应答，这样B就可以进入CLOSED状态了。

2）、在这2MSL等待时间里面，本次连接的所有的报文都已经从网络中消失，从而不会出现在下次连接中。

3、连续ARQ协议

在介绍连续ARQ协议之前，我们要先说一下停止等待协议。停止等待协议的有点就是比较简单，好实现。基本原理是A发送一个分组，发送完就暂停发送，然后一直等待接收方B的应答。A在收到B的应答之后，再发送下一个分组。如果中途B发现包有错或者就没有收到包，那么也就不会向A发送应答包。此时A规定时间内要是没有等到应答包，就会重新传送刚才的分组，也就是所谓的超时重传。从这个过程也可以看出，假如A发送分组的时间为Ta，B发送确认的时间为Tb，往返时间为Tr，那么完整发送一个分组的时间为Ta+Tb+Tr。过了这个时间后，第二个分组才开始发送。这样子的信道利用率和传输效率就比较低了。这时就引入连续ARQ了。

从上面的图来看，图（a）是发送方维持的发送窗口，它的意义是：位于发送窗口内的5个分组都可以连续发送出去，而不需要等待对方的确认，这样就提高了信道利用率。

       连续ARQ协议规定，发送方没法送一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。例如上面的图（b），当发送方收到第一个分组的确认，就把发送窗口向前移动一个分组的位置。如果已经发送了前5个分组，则现在可以发送窗口内的第6个分组。

       接收方一般都是采用累积确认的方式。也就是说接收方不必对收到的分组逐个发送确认。而是在收到几个分组后，对按序到达的最后一个分组发送确认。如果收到了这个分组确认信息，则表示到这个分组为止的所有分组都已经正确接收到了。

       累积确认的优点就不用多说了，缺点是，不能正确的反映收到的分组，比如发送方发送了前5个分组，而中间的第3个分组丢失了，这时候接收方只能对前2个发出确认。而不知道后面3个分组的下落，因此只能把后面的3个分组都重传一次，这种机制叫Go-back-N(回退N)，表示需要再退回来重传已发送过的N个分组。

4、拥塞控制

1）TCP流量控制

拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网路中的路由器或链路不致于过载。而流量控制往往是指点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做的就是控制发送端发送速率，以便使接收端来得及接受。利用滑动窗口机制就可以实现流量的控制。原理就是运用TCP报文中的窗口大小字段来控制，发送的发送窗口不可以大于接收方的接收窗口大小。如果接收方没有足够的缓存来接收数据，发送方就会收到一个零窗口的通知。此时发送方停止发送。并且定时发送一个窗口探测报文来探测接收方的接收能力。

2）TCP拥塞控制

在某段时间内，若对网络中的某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变差，这种叫做拥塞。

拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网路中的路由器或链路不致于过载。RFC2581定义了四种拥塞控制算法，即慢开始，拥塞避免、快重传、快恢复。

下图是慢启动和拥塞避免的一个可视化描述。我们以段为单位来显示cwnd和ssthresh，但它们实际上都是以字节为单位进行维护的。

拥塞窗口的概念：

发送报文段速率的确定，纪要根据接收端的能力，又要从全局考虑不要使网路发生拥塞，这由接收窗口和拥塞窗口两个状态量来决定。接收窗口又称通知窗口，是接收端根据目前接收缓存大小所许诺的最新窗口值，是来自接收端的流量控制。拥塞窗口cwnd是发送端根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的流量控制。

慢启动原理：

当主机开始发送数据时，如果立即将较大的发送窗口的全部数据注入网路中，那么由于不清楚网络的情况，有可能引起拥塞。比较好的方式是试探一下，即从小到大逐渐增大发送端的拥塞控制窗口数值。当窗口值逐渐增大时，为了防止cwind的增长导致网络拥塞，还需要一个变量--慢开始门限ssthresh

拥塞控制

具体过程为：

TCP连接初始化，将拥塞窗口设置为1。接下来执行慢开始算法，当cwind==ssthresh时，开始执行拥塞避免算法：cwnd按照现行规律增长。当网络发生拥塞时，吧ssthresh值更新为拥塞前ssthresh的一半，cwnd重新设置为1。重复执行上个步骤。

快重传和快恢复

一条TCP连接有时会因等待重传计时器的超时而空闲较长的时间，慢开始和拥塞避免无法很好的解决这类问题，因此提出了快重传和快恢复的拥塞控制方法。

     快重传算法并非取消了重传机制，只是在某些情况下更早的重传丢失的报文段（如果当发送端接收到三个重复的确认ACK时，则断定分组丢失，立即重传丢失的报文段，而不必等待重传计时器超时）。

    例如：M1，M2，M3 -----> M1,M3,缺失M2，则接收方向发送方持续发送M2重复确认，当发送方收到M2的三次重复确认，则认为M2报文丢失，启动快重传机制，重传数据，其他数据发送数据放入队列，待快重传结束后再正常传输。

     快恢复算法有以下两个要点：

     1）当发送方连续收到接收方发来的三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把慢开始门限减半，这是为了预防网络发生拥塞。

     2）由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞，因此现在不执行慢开始算法，而是把cwnd(拥塞窗口)值设置为慢开始门限减半后的值，然后开始执行拥塞避免算法，使拥塞窗口的线性增大。

5、参考资料：

1、https://blog.csdn.net/guoweimelon/article/details/50879302

2、TCP可靠传输&流量控制&拥塞控制 http://my.oschina.net/manmao/blog/601585