TCP 协议概览

背景知识——互联网分层模型

1. 应用层（DNS，FTP，HTTP，RTSP，SSH，TLS/SSL， XMPP， DHCP...）
2. 传输层（TCP，UDP...）
3. 网络层（IP，...）
4. 链路层（ARP，...）
5. 实体层

另外，也有将互联网分为7层的说法，他们分别是：应用层、
表示层（提供数据格式或转换服务。比如：加密与解迷，编码与解码，压缩与解压）、
会话层（为客户端的应用程序提供了打开、关闭和管理会话的机制）、
传输层、网络层、数据链路层、物理层。

TCP 是什么？

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流（byte stream）的传输层通信协议；
TCP 基于不可靠的 IP 协议，提供稳定、可靠的数据传输服务；
对于 TCP 需要知道的是，TCP 所处的第2层传输的数据叫 Segment，IP 所处的第3层传输的叫 Datagram， 第4层传输的数据则叫做 Frame；
数据从应用层往下传输，每经过一层都会在数据头部被加上一个 header ，层层封装；
反之，则需要层层解封，最后应用层才能取得数据。

TCP 特性

1. 点对点协议
2. 可靠
3. 管道传输（同时送多个segments）
4. sender & receiver 都有 buffer
5. byte stream
6. 双向传输
7. 面向连接（oriented connection）
8. 重传机制

TCP segment 结构体（这个非常重要）

tcp-segment.png

• source port：源 Application 端口号
• dest port：目标 Application 端口号

TCP 三次握手（如何建立连接？）

1. Client 传送一个 SYN segment 给 Server（init sequence number）
2. Server 收到 SYN，回一个 SYNACK segment 给 Client（alloc buffer; init sequence number）
3. Client 收到 SYNACK，再回一个ACK，从此连接才算是建立完成（同时，可以带上 data 做数据传输）

TCP 为什么需要三次握手？

tcp_why.jpeg

TCP 四次分手（如何关闭连接？）

1. client 传送一个 FIN segment 给 server，请求关闭连接
2. server 回一个 ack 给 client，表示 client 可以关闭连接了
3. server 再发一个 FIN segment 给 client，请求关闭连接

4. client 回一个 ack 给 server，表示 server 可以关闭连接，server 收到 ack ,关闭连接。此时，client 等待2MSL后依然没有收到回复，则证明 server 端已正常关闭，那好，client 也可以关闭连接了。

   
   
   

   tcp_close.png

TCP 为什么需要四次分手？

简单来说，因为 TCP 连接是双向的，所以 sender 需要发送 FIN 征求 server 的同意；随后，server 收到 client 的请求，给 client 回复 ack，告诉它，此时可以关闭连接；而 server 同时也需要通知 client ，告诉它自己不会再传输数据了，所以，server 给 client 发送 FIN 信号；最后，client 收到 server 的请求， 回复 ack 表示同意。

TCP 如何保证数据传输是可靠的？

1. 给 byte stream 编号
2. receiver 校验数据的正确性
3. receiver 回复 ack
4. timer. 发生 timeout 时，重传

TCP 重传机制

为什么会重传？
1. 丢失 ack
Host A 给 Host B 传输 数据， 随后 Host B 给 A 回复 ack， 但由于网络原因，这个 ack 在传输过程中 loss 了， 那么经过一个 timeout 时间后，Host A 给 Host B 重新传送这份数据。
2. timeout
Host A 给 Host B 传输数据， 随后 Host B 给 A 回复 ack ，但由于网络延迟，这个 ack 在一个 timeout 时间内没有被及时送给 Host A，经过一个 timeout 时间后，重送数据，并且在收到延时的 ack 后， 按实际收到的数据回复 ack
3. 收到3次重复的 ack
由于 receiver 回复给 sender 的 ack 序列号表示期望下次 sender 送过来的数据的序列号，所以当 sender 收到 3次重复的 ack（也就是 ack 序列号都一样），这个时候就会重新发送丢包或者延迟的 packet

快速重传：在发生 timeout 之前重传数据。

TCP Nagle Algorithm & Delay Ack

以上两种策略都是针对TCP 频繁传送小包的情况，

1. Nagle Algorithm: 发送一个小包后，如果这个小包还没有被 ack ，则后面等待发送的少量数据，会进入 buffer 缓冲区，
   这部分数据在等待时间到了后才会被统一发送出去。
2. Delay Ack: receiver 收到的数据如果不是按顺序送进来的，则会先不发 ack ，等一定顺序的数据都到了后，统一发 ack， 尽量减少 ack 的次数。
   根据他们的处理机制可以知道，这两种策略都是牺牲时效性来提升性能。遇到时效性高的应用场景，可以自行关闭。

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参考资料：

TCP Overview
TCP Flow Control and Congestion Control
通俗大白话来理解TCP协议的三次握手和四次分手