图解TCP协议——重传机制、滑动窗口、流量控制、拥塞控制
TCP协议是可靠传输协议，老生常谈的知识点，之前的知识点都是网上阅读博客，接收的一直是零零散散的碎片，为了加深了解，这篇博客来总结下TCP协议是如何保障可靠的。
为了实现可靠性传输，需要考虑很多，如数据的破坏、丢包、重复、以及分片顺序混乱等问题。TCP是通过序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输的。
TCP的主要机制包括：重传机制、滑动窗口、流量控制、拥塞控制。
1、重传机制
TCP 实现可靠传输的方式之一，是通过序列号与确认应答。
在 TCP 中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个确认应答消息，表示已收到消息。
但网络情况不可靠，若传输中数据有丢失，会用重传机制解决。
常见的重传机制有：
- 超时重传
- 快速重传
- SACK
- D-SACK
1.1 超时重传
在发送数据时，设置一个定时器，当超过指定时间后，若未收到对方的ACK确认应答，则会重发数据。
在发生以下两种情况时会发生重传：
- 数据包丢失
- 确认应答丢失
【从发送方角度看，即未收到确认应答ACK】
那么就引出一个问题，超时重传时间RTO （Retransmission Timeout ）设置为多少是合适的？
我们先来了解一下什么是 RTT（Round-Trip Time 往返时延），从下图我们就可以知道：
假设在重传的情况下，超时时间 RTO 「较长或较短」时，会发生什么事情呢？
上图中有两种超时时间不同的情况：
- 当超时时间 RTO 较大时，重发就慢，丢了老半天才重发，没有效率，性能差；
- 当超时时间 RTO 较小时，会导致可能并没有丢就重发，于是重发的就快，会增加网络拥塞，导致更多的超时，更多的超时导致更多的重发。
精确的测量超时时间 RTO的值是非常重要的，这可让我们的重传机制更高效。
但由于网络情况往往不是确定的，RTT的值经常变换，所以RTO的值也是动态变换的。具体已有推荐的公式计算RTO，根据大量的实验数据得出的。
如果超时重发的数据，再次超时的话，又需要重传，TCP的策略是超时间隔加倍，也就是每当遇到一次超时重传的时候，都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁反复发送。
超时触发重传存在的问题是，超时周期可能相对较长。那是不是可以有更快的方式呢？于是就可以用快速重传机制来解决超时重发的时间等待。
1.2 快速重传
TCP 还有另外一种快速重传机制，它不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。快速重传机制，是如何工作的呢？其实很简单，一图胜千言。
在上图，发送方发出了 1，2，3，4，5 份数据：
- 第一份 Seq1 先送到了，于是就 Ack 回 2；
- 结果 Seq2 因为某些原因没收到，Seq3 到达了，于是还是 Ack 回 2；
- 后面的 Seq4 和 Seq5 都到了，但还是 Ack 回 2，因为 Seq2 还是没有收到；
- 发送端收到了三个 Ack = 2 的确认，知道了 Seq2 还没有收到，就会在定时器过期之前，重传丢失的 Seq2；
- 最后，接收到收到了 Seq2，此时因为 Seq3，Seq4，Seq5 都收到了，于是 Ack 回 6 。
所以，快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段。
快速重传机制只解决了一个问题，就是超时时间的问题，但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候，是重传之前的一个，还是重传所有的问题。
比如对于上面的例子，是重传 Seq2 呢？还是重传 Seq2、Seq3、Seq4、Seq5 呢？因为发送端并不清楚这连续的三个 Ack 2 是谁传回来的。
根据 TCP 不同的实现，以上两种情况都是有可能的。可见，这是一把双刃剑。为了解决不知道该重传哪些 TCP 报文，于是就有SACK方法。
1.3 SACK方法
还有一种实现重传机制的方式叫：SACK（ Selective Acknowledgment）选择性确认。
这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK的东西，它可以将缓存的地图发送给发送方，这样发送方就可以知道哪些数据收到了，哪些数据没收到，知道了这些信息，就可以只重传丢失的数据。
如下图，发送方收到了三次同样的 ACK 确认报文，于是就会触发快速重发机制，通过 SACK 信息发现只有 200~299 这段数据丢失，则重发时，就只选择了这个 TCP 段进行重复。
如果要支持 SACK，必须双方都要支持。在 Linux 下，可以通过 net.ipv4.tcp_sack 参数打开这个功能（Linux 2.4 后默认打开）。
1.4 Duplicate SACK
又称D-SACK，其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。
下面举例两个栗子，来说明 D-SACK 的作用。
- 栗子一号：ACK 丢包
- 「接收方」发给「发送方」的两个 ACK 确认应答都丢失了，所以发送方超时后，重传第一个数据包（3000 ~ 3499）
- 于是「接收方」发现数据是重复收到的，于是回了一个 SACK = 3000~3500，告诉「发送方」 3000~3500 的数据早已被接收了，因为 ACK 都到了 4000 了，已经意味着 4000 之前的所有数据都已收到，所以这个 SACK 就代表着 D-SACK。
- 这样「发送方」就知道了，数据没有丢，是「接收方」的 ACK 确认报文丢了。
- 栗子二号：网络延时
-
数据包（1000~1499） 被网络延迟了，导致「发送方」没有收到 Ack 1500 的确认报文。
-
而后面报文到达的三个相同的 ACK 确认报文，就触发了快速重传机制，但是在重传后，被延迟的数据包（1000~1499）又到了「接收方」；
-
所以「接收方」回了一个 SACK=1000~1500，因为 ACK 已经到了 3000，所以这个 SACK 是 D-SACK，表示收到了重复的包。
-
这样发送方就知道快速重传触发的原因不是发出去的包丢了，也不是因为回应的 ACK 包丢了，而是因为网络延迟了。
可见，D-SACK 有这么几个好处：
-
可以让「发送方」知道，是发出去的包丢了，还是接收方回应的 ACK 包丢了;
-
可以知道是不是「发送方」的数据包被网络延迟了;
-
可以知道网络中是不是把「发送方」的数据包给复制了;
2、滑动窗口
引入滑动窗口的原因：我们都知道 TCP 是每发送一个数据，都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了， 再发送下一个。这个模式就有点像我和你面对面聊天，你一句我一句。但这种方式的缺点是效率比较低的。如果你说完一句话，我在处理其他事情，没有及时回复你，那你不是要干等着我做完其他事情后，我回复你，你才能说下一句话，很显然这不现实。
所以，这样的传输方式有一个缺点：数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。
为解决这个问题，TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率。那么有了窗口，就可以指定窗口大小，窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。
实际上相当于操作系统开辟的一个缓存空间，发送方主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答，此时数据就可以从缓存区清除。
以滑动窗口大小3为例，下图中确认应答报文 ACK 600丢失，没关系，可以通过窗口内的下一个确认应答进行确认，只要发送方收到了ACK700确认应答报文，意味着所有数据接收方都收到了。这个模式称为累计应答。
那么，窗口大小由哪一方决定呢？
TCP 头里有一个字段叫 Window，也就是窗口大小。这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。
所以，窗口的大小是由接收方决定的。发送方发送的数据大小不能超过接收方的窗口大小，否则接收方就无法正常接收到数据。
2.1 发送方的滑动窗口
我们先来看看发送方的窗口，下图就是发送方缓存的数据，根据处理的情况分成四个部分，其中深蓝色方框是发送窗口，紫色方框是可用窗口：
- #1 是已发送并收到 ACK确认的数据：1~31 字节
- #2 是已发送但未收到 ACK确认的数据：32~45 字节
- #3 是未发送但总大小在接收方处理范围内（接收方还有空间）：46~51字节
- #4 是未发送但总大小超过接收方处理范围（接收方没有空间）：52字节以后
在下图，当发送方把数据「全部」都一下发送出去后，可用窗口的大小就为 0 了，表明可用窗口耗尽，在没收到 ACK 确认之前是无法继续发送数据了。
在下图，当收到之前发送的数据 32~36 字节的 ACK 确认应答后，如果发送窗口的大小没有变化，则滑动窗口往右边移动 5 个字节，因为有 5 个字节的数据被应答确认，接下来 52~56 字节又变成了可用窗口，那么后续也就可以发送 52~56 这 5 个字节的数据了。
2.2 接收方的滑动窗口
接下来我们看看接收方的窗口，接收窗口相对简单一些，根据处理的情况划分成三个部分：
- #1 + #2 是已成功接收并确认的数据（等待应用进程读取）；
- #3 是未收到数据但可以接收的数据；
- #4 未收到数据并不可以接收的数据；
2.3 接收、发送窗口的大小相等吗？
并不是完全相等，接收窗口的大小是约等于发送窗口的大小的。
因为滑动窗口并不是一成不变的。比如，当接收方的应用进程读取数据的速度非常快的话，这样的话接收窗口可以很快的就空缺出来。那么新的接收窗口大小，是通过 TCP 报文中的 Windows 字段来告诉发送方。那么这个传输过程是存在时延的，所以接收窗口和发送窗口是约等于的关系。
3、流量控制
发送方不能无脑的发数据给接收方，要考虑接收方处理能力。如果一直无脑的发数据给对方，但对方处理不过来，那么就会导致触发重发机制，从而导致网络流量的无端的浪费。
为了解决这种现象发生，TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量，这就是所谓的流量控制。
下面举个栗子，为了简单起见，假设以下场景：
- 客户端是接收方，服务端是发送方
- 假设接收窗口和发送窗口相同，都为 200
- 假设两个设备在整个传输过程中都保持相同的窗口大小，不受外界影响
根据上图的流量控制，说明下每个过程：
- 客户端向服务端发送请求数据报文。这里要说明下，本次例子是把服务端作为发送方，所以没有画出服务端的接收窗口。
- 服务端收到请求报文后，发送确认报文和 80 字节的数据，于是可用窗口 Usable 减少为 120 字节，同时 SND.NXT 指针也向右偏移 80 字节后，指向 321，这意味着下次发送数据的时候，序列号是 321。
- 客户端收到 80 字节数据后，于是接收窗口往右移动 80 字节，RCV.NXT 也就指向 321，这意味着客户端期望的下一个报文的序列号是 321，接着发送确认报文给服务端。
- 服务端再次发送了 120 字节数据，于是可用窗口耗尽为 0，服务端无法在继续发送数据。
- 客户端收到 120 字节的数据后，于是接收窗口往右移动 120 字节，RCV.NXT 也就指向 441，接着发送确认报文给服务端。
- 服务端收到对 80 字节数据的确认报文后，SND.UNA 指针往右偏移后指向 321，于是可用窗口 Usable 增大到 80。
- 服务端收到对 120 字节数据的确认报文后，SND.UNA 指针往右偏移后指向 441，于是可用窗口 Usable 增大到 200。
- 服务端可以继续发送了，于是发送了 160 字节的数据后，SND.NXT 指向 601，于是可用窗口 Usable 减少到 40。
- 客户端收到 160 字节后，接收窗口往右移动了 160 字节，RCV.NXT 也就是指向了 601，接着发送确认报文给服务端。
- 服务端收到对 160 字节数据的确认报文后，发送窗口往右移动了 160 字节，于是 SND.UNA 指针偏移了 160 后指向 601，可用窗口 Usable 也就增大至了 200。
操作系统缓冲区与滑动窗口的关系
前面的流量控制例子，我们假定了发送窗口和接收窗口是不变的，但是实际上，发送窗口和接收窗口中所存放的字节数，都是放在操作系统内存缓冲区中的，而操作系统的缓冲区，会被操作系统调整。当应用进程没办法及时读取缓冲区的内容时，也会对我们的缓冲区造成影响。
当应用程序没有及时读取缓存时，发送窗口和接收窗口的变化。
考虑以下场景：
- 客户端作为发送方，服务端作为接收方，发送窗口和接收窗口初始大小为 360；
- 服务端非常的繁忙，当收到客户端的数据时，应用层不能及时读取数据。
根据上图的流量控制，说明下每个过程：
- 客户端发送 140 字节数据后，可用窗口变为 220 （360 - 140）。
- 服务端收到 140 字节数据，但是服务端非常繁忙，应用进程只读取了 40 个字节，还有 100 字节占用着缓冲区，于是接收窗口收缩到了 260 （360 - 100），最后发送确认信息时，将窗口大小通过给客户端。
- 客户端收到确认和窗口通告报文后，发送窗口减少为 260。
- 客户端发送 180 字节数据，此时可用窗口减少到 80。
- 服务端收到 180 字节数据，但是应用程序没有读取任何数据，这 180 字节直接就留在了缓冲区，于是接收窗口收缩到了 80 （260 - 180），并在发送确认信息时，通过窗口大小给客户端。
- 客户端收到确认和窗口通告报文后，发送窗口减少为 80。
- 客户端发送 80 字节数据后，可用窗口耗尽。
- 服务端收到 80 字节数据，但是应用程序依然没有读取任何数据，这 80 字节留在了缓冲区，于是接收窗口收缩到了 0，并在发送确认信息时，通过窗口大小给客户端。
- 客户端收到确认和窗口通告报文后，发送窗口减少为 0。
可见最后窗口都收缩为 0 了，也就是发生了窗口关闭。当发送方可用窗口变为 0 时，发送方实际上会定时发送窗口探测报文，以便知道接收方的窗口是否发生了改变，这个内容后面会说，这里先简单提一下。
再来看看第二个例子。
当服务端系统资源非常紧张的时候，操心系统可能会直接减少了接收缓冲区大小，这时应用程序又无法及时读取缓存数据，那么这时候就有严重的事情发生了，会出现数据包丢失的现象。
说明下每个过程：
- 客户端发送 140 字节的数据，于是可用窗口减少到了 220。
- 服务端因为现在非常的繁忙，操作系统于是就把接收缓存减少了 100 字节，当收到 对 140 数据确认报文后，又因为应用程序没有读取任何数据，所以 140 字节留在了缓冲区中，于是接收窗口大小从 360 收缩成了 100，最后发送确认信息时，通告窗口大小给对方。
- 此时客户端因为还没有收到服务端的通告窗口报文，所以不知道此时接收窗口收缩成了 100，客户端只会看自己的可用窗口还有 220，所以客户端就发送了 180 字节数据，于是可用窗口减少到 40。
- 服务端收到了 180 字节数据时，发现数据大小超过了接收窗口的大小，于是就把数据包丢失了。
- 客户端收到第 2 步时，服务端发送的确认报文和通告窗口报文，尝试减少发送窗口到 100，把窗口的右端向左收缩了 80，此时可用窗口的大小就会出现诡异的负值。
所以，如果发生了先减少缓存，再收缩窗口，就会出现丢包的现象。为了防止这种情况发生，TCP 规定是不允许同时减少缓存又收缩窗口的，而是采用先收缩窗口，过段时间在减少缓存，这样就可以避免了丢包情况。
窗口关闭
在前面我们都看到了，TCP 通过让接收方指明希望从发送方接收的数据大小（窗口大小）来进行流量控制。如果窗口大小为 0 时，就会阻止发送方给接收方传递数据，直到窗口变为非 0 为止，这就是窗口关闭。
窗口关闭潜在的危险：接收方向发送方通告窗口大小时，是通过 ACK 报文来通告的。那么，当发生窗口关闭时，接收方处理完数据后，会向发送方通告一个窗口非 0 的 ACK 报文，如果这个通告窗口的 ACK 报文在网络中丢失了，那麻烦就大了。这会导致发送方一直等待接收方的非 0 窗口通知，接收方也一直等待发送方的数据，如不不采取措施，这种相互等待的过程，会造成了死锁的现象。
为了解决这个问题，TCP 为每个连接设有一个持续定时器，只要 TCP 连接一方收到对方的零窗口通知，就启动持续计时器。如果持续计时器超时，就会发送窗口探测 ( Window probe ) 报文，而对方在确认这个探测报文时，给出自己现在的接收窗口大小。
- 如果接收窗口仍然为 0，那么收到这个报文的一方就会重新启动持续计时器；
- 如果接收窗口不是 0，那么死锁的局面就可以被打破了。
4、拥塞控制
为什么要有拥塞控制，不是有流量控制了吗？
前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存，但是并不知道网络的中发生了什么。一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。
在网络出现拥堵时，如果继续发送大量数据包，可能会导致数据包时延、丢失等，这时 TCP 就会重传数据，但是一重传就会导致网络的负担更重，于是会导致更大的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进入恶性循环被不断地放大…
于是，就有了拥塞控制，控制的目的就是避免「发送方」的数据填满整个网络。
为了在「发送方」调节所要发送数据的量，定义了一个叫做「拥塞窗口」的概念。
什么是拥塞窗口？和发送窗口有什么关系？
拥塞窗口 cwnd是发送方维护的一个 的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。
我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系，那么由于入了拥塞窗口的概念后，此时发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。
如果发生了超时重传，发送方就会认为网络出现了拥塞。
拥塞控制算法
-
慢启动
-
拥塞避免
-
拥塞发生
-
快速恢复
慢启动
TCP 在刚建立连接完成后，首先是有个慢启动的过程，这个慢启动的意思就是一点一点的提高发送数据包的数量，如果一上来就发大量的数据，这不是给网络添堵吗？
慢启动的算法记住一个规则就行：当发送方每收到一个 ACK，就拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1。
这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等，下面举个栗子：
- 连接建立完成后，一开始初始化 cwnd = 1，表示可以传一个 MSS 大小的数据。
- 当收到一个 ACK 确认应答后，cwnd 增加 1，于是一次能够发送 2 个
- 当收到 2 个的 ACK 确认应答后， cwnd 增加 2，于是就可以比之前多发2 个，所以这一次能够发送 4 个
- 当这 4 个的 ACK 确认到来的时候，每个确认 cwnd 增加 1， 4 个确认 cwnd 增加 4，于是就可以比之前多发 4 个，所以这一次能够发送 8 个。
可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增长
拥塞避免算法
前面说到慢启动，那慢启动涨到什么时候是个头呢？
有一个叫慢启动门限 ssthresh （slow start threshold）状态变量。
- 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢启动算法。
- 当 cwnd >= ssthresh 时，就会使用「拥塞避免算法」
那么进入拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd
接上前面的慢启动的栗子，现假定 ssthresh 为 8：
- 当 8 个 ACK 应答确认到来时，每个确认增加 1/8，8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1，于是这一次能够发送 9 个 MSS 大小的数据，变成了线性增长。
所以，我们可以发现，拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增长变成了线性增长，还是增长阶段，但是增长速度缓慢了一些。
就这么一直增长着后，网络就会慢慢进入了拥塞的状况了，于是就会出现丢包现象，这时就需要对丢失的数据包进行重传。
当触发了重传机制，也就进入了「拥塞发生算法」。
拥塞发生
当网络出现拥塞，也就是会发生数据包重传，重传机制主要有两种：
- 超时重传
- 快速重传
这两种使用的拥塞发送算法是不同的。
- 发生超时重传的拥塞发生算法
这个时候，sshresh 和 cwnd 的值会发生变化：
- ssthresh 设为 cwnd/2，
- cwnd 重置为 1
接着，就重新开始慢启动，慢启动是会突然减少数据流的。这真是一旦「超时重传」，马上回到解放前。但是这种方式太激进了，反应也很强烈，会造成网络卡顿。
- 发生快速重传的拥塞发生算法
当接收方发现丢了一个中间包的时候，发送三次前一个包的 ACK，于是发送端就会快速地重传。
TCP 认为这种情况不严重，因为大部分没丢，只丢了一小部分，则 ssthresh 和 cwnd 变化如下：
- cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的一半;
- ssthresh = cwnd;
- 进入快速恢复算法
快速恢复
正如前面所说，进入快速恢复之前，cwnd 和 ssthresh 已被更新了：
- cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的一半;
- ssthresh = cwnd;
然后，进入快速恢复算法如下：
- 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 （ 3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了）（快速重传的3次重复ACK）
- 重传丢失的数据包
- 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd 增加 1
- 如果收到新数据的 ACK 后，设置 cwnd 为 ssthresh，接着就进入了拥塞避免算法
【TODO这里不是很懂】
