TCP协议的可靠性

保证数据能到达对端：  超时重传和确认应答机制、滑动窗口(发送方发送速率与接收端的接收缓冲区空间匹配) 、拥塞控制(发送方发送速率与网络环境匹配)

保证数据不乱序，不重复：TCP报头中的32位序号，序号值为随机值ISN+报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移量。

保证数据不失真： TCP报头中的16位冗余校验码，接收端对TCP的头部和数据部分通过CRC算法进行冗余校验

1.检验和冗余校验位

• TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
• 监测数据在传输过程中的变化。

2.序列号

•   通过序列号，可以去重、超时重传、数据有序到达（数据有序指的是数据全部到达对端之后会进行重组）。

3.确认应答

• 可以确认ACK之前的数据肯定到达了，保证了可靠性。

4.超时重传：当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

•   发送的数据有可能因为网络拥堵，没有及时到达，发送端没有收到确认，就会进行重发。
•   接收端有可能收到许多重复文件，通过序列号可以去重。
•   累计到一定次数，TCP认为网络或者接收端出现异常，强制关闭连接。

5.连接管理

• 通过三次握手建立连接、四次挥手断开连接，维护必要的连接。

6.流量控制 ：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的我数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。（TCP利用滑动窗口实现流量控制）

• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入报头窗口大小中，通知发送端。
• 窗口大小越大，说明网络的吞吐量越高。
• 接收端如果发现自己的缓冲区快满了，就会将自己的窗口大小调低，发送端收到后会降低自己的发送速度。
• 如果接收端满了，将自己的窗口大小设置为零，发送不在发送数据，但是会定期发送一个窗口大小探测数据段。

（1）窗口机制：连接建立时，各端分配一块缓冲区用来存储接收的数据，并将缓冲区的尺寸发送给另一端，接收方发送的确认信息中包含了自己剩余的缓冲区尺寸。剩余缓冲区空间的数量叫做窗口

（2）滑动窗口：支持流量控制，它是一种接收方能够控制发送方使其降低速度的反馈机制。这种机制用于抑制发送方发送速度过快，即抑制传输比接收方所能处理的更多的数据。这通常通过扩展滑动窗口协议完成，使接收方不仅确认收到的帧，而且通知发送方它还可接收多少帧。

（3）TCP利用滑动窗口实现流量控制的机制。

发送窗口里面的序号表示允许发送的序号。发送窗口后沿的后面部分表示已发送且已收到确认，而发送窗口前沿的前面部分表示不允许发送。发送窗口后沿的变化情况有两种可能，即不动（没有收到新的确认）和前移（收到了新的确认）。发送窗口的前沿通常是不断向前移动的。一般来说，我们总是希望数据传输更快一些。但如果发送方把数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，这就会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。

7.拥塞控制：慢启动、用塞避免 ------------------------------当网络拥塞时，减少数据的发送。

• 慢开始：慢开始算法的思路是当主机开始发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么可能会引起网络阻塞，因为现在还不知道网络的符合情况。经验表明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。cwnd初始值为1，每经过一个传播轮次，cwnd加倍。 
• TCP用拥塞窗口（cwnd）来进行拥塞控制，主要利用了慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复
• 拥塞避免算法：让拥塞窗口cwnd缓慢增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送放的cwnd加1.
• 快速重传：在接收到相同ACK后，推断出丢失报文段起始序号，然后立即重传此报文
• 快速恢复：在快速重传的基础上，如果发生了快速重传，则执行拥塞避免算法而非慢启动。

在TCP/IP中，快速重传和恢复是一种拥塞控制算法，它能快速恢复丢失的数据包。没有FRR，如果数据包丢失了，TCP将会使用定时器来要求传输暂停。在暂停的这段时间内，没有新的或复制的数据包被发送。有了FRR，如果接收机接收到一个不按顺序的数据段，它会立即给发送机发送一个重复确认。如果发送机接收到三个重复确认，它会假定确认件指出的数据段丢失了，并立即重传这些丢失的数据段。有了FRR，就不会因为重传时要求的暂停被耽误。 　当有单独的数据包丢失时，快速重传和恢复（FRR）能最有效地工作。当有多个数据信息包在某一段很短的时间内丢失时，它则不能很有效地工作。

 

概念原理参考：https://blog.csdn.net/yuliantao/article/details/81559580

• 拥塞避免算法和慢启动算法是两个目的不同、独立的算法。慢启动的目的是:防止一开始速率过快，导致耗尽中间路由器存储空间，从而严重降低TCP连接的吞吐量。拥塞避免的目的是:当拥塞发生时，降低网络的传输速率。这可以通过调用慢启动的动作来降低网络的传输速率。所以在实际中这两个算法通常在一起实现。
•  其将窗口置为现有窗口的大小,同时慢启动门限tp->snd_ssthresh设置为现有窗口大小的一半。snd_cwnd（拥塞窗口）被设定为只能容纳一个报文t_maxseg)，这样就强迫TCP执行慢启动。之后拥塞窗口会先以指数形式增长，达到慢启动门限snd_ssthressh之后,再线性增长。线性增长的过程即是拥塞避免算法。
• TCP将应用数据分割成TCP认为最适合发送的数据块。TCP的接收端会丢弃重复的数据。

8.停止等待ARQ协议也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。为了提高传输效率，发送方可以不使用低效率的停止等待协议，而是采用流水线传输。流水线传输就是发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停下来等待对方确认。这样可使信道上一直有数据不间断的在传送。这种传输方式可以明显提高信道利用率。

9.TCP粘包：

由于UDP支持的是一对多的模式，所以接收端的套接字缓冲区采用了链式结构来记录每一个到达的UDP包，在每个UDP包中就有了消息头（消息来源地址，端口等信息），就容易进行区分处理了，所以UDP不会出现粘包问题。TCP窗口的大小取决于当前的网络状况、对端的缓冲大小等因素，TCP没有消息边界，发送方等到缓冲区满才发送数据，接收端不能及时接受数据都会造成粘包问题。避免方式：

• 命令控制：通过编程设置来避免，TCP提供了强制数据立即传送的操作指令push，TCP软件收到该操作指令后，就立即将本段数据发送出去，而不必等待发送缓冲区满；
• 一般实现：消息尺寸和消息一起发送（变长数据包）、发送固定长度的数据（定长数据包）、使用特殊标记作为消息间隔（保证标记与正文数据不冲突）