TCP协议相关

TCP

TCP最核心的一点就是可靠的传输协议，那么TCP是靠什么来保证可靠的传输服务呢？

三次握手

就如同打电话一样

A：你能听到我的声音吗？

B：我能听到你的声音，你能听到我的声音吗？

A：我也能听到你的声音。

这样就能在有限的三次握手中确认双方都能够收到对方的消息。原本的握手是四次，不过把B的回答和问话优化为了一句。

具体的实现则是通过ack和syn这两个字段实现的：

• 第一步：client 发送 syn 到server 发起握手；
• 第二步：server 收到 syn后回复syn+ack给client；
• 第三步：client 收到syn+ack后，回复server一个ack表示收到了server的syn+ack；

四次挥手

为什么握手需要3次，挥手却要需要4次呢？

客户端和服务端在进行通信，客户端请求完了。

客户端：我这边已经搞定了，要关闭连接。

服务端：收到！同意你的关闭请求。

这时，客户端不能再发送数据，服务端也不能再接受数据了。但是服务端向客户端的传输可能没有结束，不能马上告诉客户端自己也完事了。不过会告诉客户端，我已经收到了。当过了一会服务端也搞定了则主动给客户端发送信息。

服务端：我这边也搞定了，需要关闭连接。

客户端：收到！

此时，服务端收到客户端的回答后关闭连接，之后客户端没有收到回复后，证明服务端已经关闭，就自动关闭连接

具体的实现通过fin和ack这两个字段实现的：

• 第一步： client主动发送fin包给server
• 第二步： server回复ack（对应第一步fin包的ack）给client，表示server知道client要断开了
• 第三步： server发送fin包给client，表示server也可以断开了
• 第四部： client回复ack给server，表示既然双发都发送fin包表示断开，那么就真的断开吧

超时重传

超时重传是TCP协议保证数据可靠性的一个重要机制，其原理是在发送某一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。三次握手，正常的数据传输，以及四次握手过程中只要出现超时情况，都会触发重传。

滑动窗口

为什么需要滑动窗口？

tcp以一个段为单位，每发送一段就进行一次确认应答处理。这样包的往返时间就会变长，通信性能就会变低。

A：1

B：收到1

A：2

B：收到2

......

为什么不能一次发送多个数据来提高性能呢？

A：1,、2、3、...

B：收到1、2、3、...

这就是窗口的由来，而无需等待确认就可以发送的数据的最大值就是窗口的大小。这个机制会大量用到缓冲区，通过对多个段同时进行确认。如果窗口内的部分数据出现了丢包，还是要进行重传，所以发送端需要这些数据包的缓存，直到收到了他们的确认应答。

收到确认的情况下，将窗口滑送到确认应答的序号的位置，这样可以顺序的讲多个段同时发送来提高性能，

考虑一种情况，就是发送成功了，但是返回的应答丢失了。首先按照以往的模式来的话，返回的应答丢失也要失败重传。有了窗口后，一定时间内不会马上重传，还是会发送数据。这样避免了重复的发送数据。

考虑另一种情况，有一段数据发送不成功。如果有一段数据发送不成功，其别的数据返回的时候不仅返回自己数据的应答，还会有未接受到的数据的确认应答。当窗口比较大的时候出现丢包的时候，会一直受到丢失的数据的确认应答，当这种情况出现3次后，缺失的数据将再次被进行重发。

拥塞控制

有了窗口机制大大提升了网络的传输效率。但是这样有一个缺点就是。网路是个共享的环境，经常因为其他主机之间的通信使得网络堵塞。如果再发送较多的数据，很有可能导致整个网络瘫痪。tcp的拥塞控制主要有4个算法：1. 慢启动；2. 拥塞避免；3. 快重传；4. 快恢复；1和2是拥塞发生前的算法，3是拥塞发生时，而4是拥塞发生后。

rwnd与cwnd

• rwnd是用于流量控制的窗口大小，主要取决于接收方的处理速度，由接收方通知发送方被动调整。
• cwnd是用于拥塞处理的窗口大小，取决于网络状况，由发送方探查网络主动调整。

慢启动算法

对于刚刚加入网络的链接，要一点点的提速，不要妄图一步到位。

1. 连接刚建好，初始化cwnd = 1（当然，通常不会初始化为1，太小），表明可以传一个MSS大小的数据。

2. 每收到一个ACK，cwnd++，线性增长。

3. 每经过一个RTT，cwnd = cwnd * 2，指数增长（主要增长来源）。

4. 还有一个ssthresh（slow start threshold），当cwnd >= ssthresh时，就会进入拥塞避免算法。

如果网速很快的话，ack返回快，那这个慢启动一点也不慢，将会以指数的速度增长。

拥塞避免算法

前面说过，当cwnd >= ssthresh（通常ssthresh = 65535）时，就会进入拥塞避免算法（Congestion Avoidance）：缓慢增长，小心翼翼的找到最优值

1. 每收到一个Ack，cwnd = cwnd + 1/cwnd，显然，cwnd > 1时无增长。
2. 每经过一个RTT，cwnd++，线性增长（主要增长来源）。

慢启动算法主要呈指数增长，粗犷型，速度快（“慢”是相对于一步到位而言的）；而拥塞避免算法主要呈线性增长，精细型，速度慢，但更容易在不导致拥塞的情况下，找到网络环境的cwnd最优值。

快重传

慢启动与拥塞避免算法作用在拥塞发生前，采取不同的策略增大cwnd；如果已经发生拥塞，则需要采取策略减小cwnd。那么，TCP如何判断当前网络拥塞了呢？很简单，如果发送方发现有Seq发送失败（表现为“丢包”），就认为网络拥塞了。

丢包后，有两种重传方式，对应不同的网络情况，也就对应着两种拥塞发生时的控制算法：

1. 超时重传。TCP认为这种情况太糟糕，调整力度比较大：
   1. ssthresh = cwnd /2
   2. cwnd = 1，重新进入慢启动过程（网络糟糕，要慢慢调整）
2. 快速重传。TCP认为这种情况通常比RTO超时好一些，主流实现TCP Reno的调整力度更柔和（TCP Tahoe的实现和RTO超时一样暴躁）：
   1. ssthresh = cwnd /2
   2. cwnd = cwnd /2，进入快速恢复算法（网络没那么糟，可以快速调整，见下）

可以看到，不管是哪种重传方式，ssthresh都会变成cwnd的一半，仍然是指数回退，待拥塞消失后再逐渐增长回到新的最优值，总体上在最优值（动态）附近震荡。

回退后，根据不同的网络情况，可以选择不同的恢复算法。慢启动已经介绍过了，下面介绍快速恢复算法。

快速恢复

如果触发了快速重传，即发送方收到至少3次相同的Ack，那么TCP认为网络情况不那么糟，也就没必要提心吊胆的，可以适当大胆的恢复。为此设计快速恢复算法（Fast Recovery），下面介绍TCP Reno中的实现。

回顾一下，进入快速恢复之前，cwnd和sshthresh已被更新：

1. ssthresh = cwnd /2
2. cwnd = cwnd /2

然后，进入快速恢复算法：

1. cwnd = ssthresh + 3 * MSS （尝试一步到位）
2. 重传重复Ack对应的Seq
3. 如果再收到该重复Ack，则cwnd++，线性增长（缓慢调整）
4. 如果收到了新Ack，则cwnd = ssthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了