确认应答机制与超时重发机制【TCP原理（笔记一）】
文章目录
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- 通过序列号与确认应答提高可靠性
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- 正常的数据传输
- 数据包丢失的情况
- 确认应答丢失的情况
- 发送的数据
- 重发超时如何确定
通过序列号与确认应答提高可靠性
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已收到消息的通知。这个消息叫做确认应答（ACK（ACK（Positive Acknowled-gement）意指已经接收。） ）。
确认应答机制的基本原理
- 发送方将数据分割成称为TCP段（TCP segment）的较小单元，并为每个段分配一个唯一的序列号。
- 发送方将这些TCP段发送给接收方，并启动一个定时器来跟踪每个已发送段的确认。
- 接收方收到TCP段后，将按序将它们重新组装成完整的数据流，并发送一个确认（ACK）给发送方。确认中包含接收到的最高序列号，表示该序列号之前的所有数据都已正确接收。
- 发送方在接收到确认后，会停止相应定时器，并继续发送下一个序列号的TCP段。
- 如果发送方在定时器超时之前未收到确认，它将重新发送未确认的TCP段。
通常，两个人对话时，在谈话的停顿处可以点头或询问以确认谈话内容。如果对方迟迟没有任何反馈，说话的一方还可以再重复一遍以保证对方确实听到。因此，对方是否理解了此次对话内容，对方是否完全听到了对话的内容，都要靠对方的反应来判断。网络中的“确认应答”就是类似这样的一个概念。当对方听懂对话内容时会说：“嗯”，这就相当于返回了一个确认应答（ACK）。而当对方没有理解对话内容或没有听清时会问一句“咦？”这好比一个否定确认应答（NACK（NACK（Negative Acknowledgement）） ）。
正常的数据传输
TCP通过肯定的确认应答（ACK）实现可靠的数据传输。当发送端将数据发出之后会等待对端的确认应答。如果有确认应答，说明数据已经成功到达对端。反之，则数据丢失的可能性很大。
如图所示，在一定时间内没有等到确认应答，发送端就可以认为数据已经丢失，并进行重发。由此，即使产生了丢包，仍然能够保证数据能够到达对端，实现可靠传输。
数据包丢失的情况
未收到确认应答并不意味着数据一定丢失。也有可能是数据对方已经收到，只是返回的确认应答在途中丢失。这种情况也会导致发送端因没有收到确认应答，而认为数据没有到达目的地，从而进行重新发送。如图所示。
确认应答丢失的情况
此外，也有可能因为一些其他原因导致确认应答延迟到达，在源主机重发数据以后才到达的情况也履见不鲜。此时，源发送主机只要按照机制重发数据即可。但是对于目标主机来说，这简直是一种“灾难”。它会反复收到相同的数据。而为了对上层应用提供可靠的传输，必须得放弃重复的数据包。为此，就必须引入一种机制，它能够识别是否已经接收数据，又能够判断是否需要接收。
上述这些确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号实现。序列号是按顺序给发送数据的每一个字节（8位字节）都标上号码的编号（序列号的初始值并非为0。而是在建立连接以后由随机数生成。而后面的计算则是对每一字节加一。） 。接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据的长度，将自己下一步应该接收的序号作为确认应答返送回去。就这样，通过序列号和确认应答号，TCP可以实现可靠传输。
发送的数据
- 序列号（或确认应答号）也指字节与字节之间的分隔。
- TCP的数据长度并未写入TCP首部。实际通信中求得TCP包的长度的计算公式是：IP首部中的数据包长度-IP首部长度TCP首部长度。
重发超时如何确定
重发超时是指在重发数据之前，等待确认应答到来的那个特定时间间隔。如果超过了这个时间仍未收到确认应答，发送端将进行数据重发。那么这个重发超时的具体时间长度又是如何确定的呢？
最理想的是，找到一个最小时间，它能保证“确认应答一定能在这个时间内返回”。然而这个时间长短随着数据包途径的网络环境的不同而有所变化。例如在高速的LAN中时间相对较短，而在长距离的通信当中应该比LAN要长一些。即使是在同一个网络中，根据不同时段的网络拥堵程度时间的长短也会发生变化。
TCP要求不论处在何种网络环境下都要提供高性能通信，并且无论网络拥堵情况发生何种变化，都必须保持这一特性。为此，它在每次发包时都会计算往返时间（Round Trip Time也叫RTT。是指报文段的往返时间。） 及其偏差（RTT时间波动的值、方差。有时也叫抖动。） 。将这个往返时间和偏差相加重发超时的时间，就是比这个总和要稍大一点的值。
重发超时的计算既要考虑往返时间又要考虑偏差是有其原因。如图所示，根据网络环境的不同往返时间可能会产生大幅度的摇摆，之所以发生这种情况是因为数据包的分段是经过不同线路到达的。TCP/IP的目的是即使在这种环境下也要进行控制，尽量不要浪费网络流量。
在BSD的Unix以及Windows系统中，超时都以0.5秒为单位进行控制，因此重发超时都是0.5秒的整数倍（偏差的最小值也是0.5秒。因此最小的重发时间至少是1秒。） 。不过，由于最初的数据包还不知道往返时间，所以其重发超时一般设置为6秒左右。
数据被重发之后若还是收不到确认应答，则进行再次发送。此时，等待确认应答的时间将会以2倍、4倍的指数函数延长。
此外，数据也不会被无限、反复地重发。达到一定重发次数之后，如果仍没有任何确认应答返回，就会判断为网络或对端主机发生了异常，强制关闭连接。并且通知应用通信异常强行终止。