TCP的数据传输机制：重传机制、滑动窗口、流量控制、拥堵控制

通过三次握手建立TCP连接后，双方就可以开始正式通信了，为了保证通信的高效可靠，TCP做了许多复杂的控制，如下

一、重传机制

网络情况错综复杂可能会出现丢包的情况，TCP会对丢失的数据进行重传，其重传机制有如下四种

1. 超时重传

超时重传是指发送数据后设置一个时间，超过这个时间没有收到ACK应答就重传（无论是发送的数据包丢失还是ACK应答丢失）。

超时时间RTO应该设置为略大于一个RTT（Round-Trip Time 往返时延），由于网络波动RTO也应是一个动态变化的值

2. 快速重传

如下图发送端发送了五个报文，但是中间Seq2丢失了因此接收端收到Seq3,4,5后回复了三个ACK2。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。

3. SACK 方法

在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西，它可以将已收到的数据的信息发送给「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。

4. Duplicate SACK

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。

二、滑动窗口

如果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再发送下一个，这样显然效率不高。因此TCP引入了滑动窗口机制，在TCP头部中有一个window字段，表示告诉对方我当前还有多长的空闲缓冲区用于接收数据，对于发送端来说，用这个值减去还未收到ACK应答的数据长度，就是当前可以直接发出的数据，接收到ACK包后再继续向后滑动这个发送窗口

这样就可以无需等待应答而直接先发送一部分数据，并且中途若有 ACK 丢失，可以通过下一个确认应答进行确认。如下图，收到了ACK 700，就表示700前的数据都收到了，而无需重传数据。接收端在700前的数据没有全部收到是不会发送ACK 700的

三、流量控制

流量控制就是使用上述滑动窗口来控制数据发送速率，通过接收端的window值减去还未收到ACK应答的数据长度，就是当前可以直接发出的数据。

1. 窗口关闭

如果接收端窗口大小为 0 时，就会给发送端一个window值为0的报文，发送端则停止发送数据，直到接收方处理完数据有空余缓冲区，会向发送方通告一个窗口非 0 的 ACK 报文，发送方才继续发送数据，这称为窗口关闭。但是如果这个通告窗口非0的 ACK 报文在网络中丢失了，就会造成双方无限等待对方的情况，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。

2. 糊涂窗口综合症

如果接收方太忙了，来不及取走接收窗口里的数据，那么就会导致发送方的发送窗口越来越小。到最后，如果接收方腾出几个字节并告诉发送方现在有几个字节的窗口，而发送方会义无反顾地发送这几个字节，这就是糊涂窗口综合症。为解决这个问题：

• 接收方策略：不通告小窗口，当「窗口大小」小于 min( MSS，缓存空间/2 ) ，也就是小于 MSS 与 1/2 缓存大小中的最小值时，就会向发送方通告窗口为 0，也就阻止了发送方再发数据过来。

• 发送方策略：使用 Nagle 算法，该算法的思路是延时处理，要等到窗口大小 >= MSS 并且 数据大小 >= MSS，或者收到之前发送数据的 ack 回包，才发送数据。不过前提是接收方也开启了不通告小窗口的策略

四、拥塞避免

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。所以，TCP 不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP 会自我牺牲，降低发送的数据量。那么怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢？其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文，也就是发生了超时重传，就会认为网络出现了拥塞。

那么根据拥塞情况发送端会维护一个拥塞窗口的状态变量cwnd，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。那么实际发送窗口的值就是也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。

拥塞控制主要是如下四个算法：

1. 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，拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1个MSS。因此拥塞窗口长度会进行一个指数级增长，当到达慢启动门限 ssthresh后就会开始使用拥塞避免算法

2. 拥塞避免

拥塞避免的规则是：每当收到一个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd。例如若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。

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」。

3. 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：超时重传和快速重传。这两种使用的拥塞发送算法是不同的，接下来分别来说说。

（1）发生超时重传的拥塞发生算法

• ssthresh 设为 cwnd/2
• cwnd 重置为初始值

（2）发生快速重传的拥塞发生算法

• cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的一半;
• ssthresh = cwnd;
• 进入快速恢复算法

4. 快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用，快速恢复算法是认为，如果后续你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。

• 后续又收到3个重复的ACK后，拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3;
• 重传丢失的数据包；
• 如果再收到重复的 ACK，那么 cwnd继续1；
• 如果收到新数据的 ACK 后，把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值，原因是该 ACK 确认了新的数据，说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到，该恢复过程已经结束，可以回到恢复之前的状态了，也即再次进入拥塞避免状态；

先恢复cwnd是为了能快速把丢失的包重传出去，重传完了再降cwnd是为了减缓拥塞