TCP 核心工作机制

TCP 的核心知识：如何保证传输可靠 + 如何提高传输效率

如何保证传输可靠：确认应答机制 + 超时重传机制

如何提高传输效率：滑动窗口机制、快速重传机制、流量控制机制、延时应答机制、捎带应答机制、拥塞控制机制

一、如何保证传输可靠

        TCP的可靠性主要是通过 确认应答 + 超时重传 来实现的。

1 确认应答机制

        先看发送发：在没有滑动窗口机制之前，发送方一次只能发送一段报文，且每次发送完后要等待接收方的ACK确认，只有在收到接收方的ACK确认应答后，才能将发送缓冲区里对应的数据释放掉，并开始发送第二段报文。如果在规定时间内未收到ACK确认，则尝试重传这段报文（超时重传机制）。

        再看接收方：接收方每次接收到报文后，都要给发送方返回一个确认应答报文ACK，告知对方已正确接收数据，期望下次收到报文段的起始序列号是ack。

        确认应答机制本质上是接收方对发送方报文中的seq进行确认，TCP是字节流传输协议，seq就代表数据，seq被确认就意味着数据被确认。只有确认应答机制 + 超时重传机制才能保证数据传输的可靠性，但数据传输效率比较低（RTT时间越长，传输效率越低）。

2 超时重传机制

        TCP超时重传机制是针对确认应答阶段数据丢包的情况，TCP传输过程中，发送方发出的报文可能会丢失，接收方返回给对端的ACK报文也有可能丢失。无论是哪种丢包，发送方在发送完报文后如果在指定时间内（RTO，Retransmission Timeout 超时重传时间）未收到对端返回的ACK报文，就会重传这段报文。当重传次数达到一定量时，如果还是无法收到ACK报文，发送方就会发送RST报文，要求重置连接，如果重置连接都失败那就彻底断开连接。

RTO随RTT动态变化。RTT越小，网络环境越好，RTO也随之变小。

如果超时重传的数据，因再次超时而重传时，超时重传时间将是先前值的两倍。

        接收方收到重复的报文怎么办？TCP接收数据时都先将数据写入到接收缓冲区（Receive Buffer），再根据seq对缓冲区数据进行排序，方便应用程序正确有序地读取数据。新接收到的数据在写入缓冲区后，自然也要根据seq排序，这时就很容易判断出这段数据是否重复，如果重复就直接丢弃，这种机制确保了应用层读取到的数据是有序且不重复的。

        超时重传存在的问题是，超时周期相对较长。

 3 连接管理机制

        通过三次握手建立连接，再通过四次挥手断开连接。

        参考文章 TCP三次握手、四次挥手及状态转换详解

二、如何提高传输效率

        TCP为了能最大限度的提高传输效率，分别从三方面对传输过程进行优化

• 提高发送方的发送量（发送速率），如滑动窗口机制；
• 提高接收方的接收能力（对方是否能承受大的数据量），如流量控制机制、延时应答机制；
• 提高网络的转发能力（网络是否能转发大的数据量），如拥塞控制机制。

4 滑动窗口机制

4.1 为何要引入窗口概念？

        在没有引入窗口概念之前，确认应答机制中一次只能发送一条报文段，只有等被ACK确认应答后才能发送另一段报文。这传输效率着实有点慢，当网络环境不佳时，效率还会更慢。如何提高传输效率呢？有没有可能提高TCP的发送量呢，能否允许它先一次发送多条报文，然后再等ACK确认应答，先把发送量提起来再说。TCP这才引入了窗口概念，数据发送量以窗口大小来衡量。即使在RTT较长的情况下，也不会降低传输效率。

        在学习窗口之前，我们先简单了解下什么是缓冲区。

4.2 什么是缓冲区？

• 缓冲区是TCP在操作系统中开辟的一块缓存空间，用于缓存将要发送和接收的数据；
• TCP有两个缓冲区，分别是发送缓冲区和接收缓冲区；
• 发送缓冲区和接收缓冲区都是环形队列；
• 应用层调用send函数将数据写入发送缓冲区，TCP从发送缓冲区获取数据并发送；
• 网络层递交给TCP的数据最终被存放到接收缓冲区，应用层调用recv函数将数据从接收缓冲区读出。

4.3 什么是窗口？

        窗口分“发送窗口”和“接收窗口”，首先它俩针对的缓冲区有所不同，发送窗口针对的是发送缓冲区，而接收窗口针对的是接收缓冲区。其次，发送方发送窗口的大小由接收方接收窗口的大小决定，但并不意味着两者就完全相等，因为有网络延迟，所以接收窗口大小一般约等于或稍大于发送窗口大小。还需注意的是，窗口大小并不代表缓冲区的大小。

        接收窗口(大小)就是我们通常讲的窗口(大小)，如：“A端窗口还是1M，让B端发送慢点”，这里的窗口指的就是A端的接收窗口大小，接收窗口对应TCP报头中的Window字段，表示接收方还剩多少接收缓冲区可用于接收数据。

        发送窗口(大小)指的是发送缓冲区中“已发送但未收到ACK确认”和“可以发送但还未发送”两块缓冲区的组成部分。这两部分的数据无需TCP确认就可直接推送给网络层。

        “已发送但未收到ACK确认”很好理解，就是已发送的报文在未等到确认应答ACK返回之前，必须保留在发送缓冲区中，如果在规定时间(RTO)内收到了ACK报文，就将数据从缓存区清除，否则重传报文。

        “可以发送但还未发送”指的是“可以发送但还没来得及发送，且总大小在接收方窗口大小范围之内”。

        注意：窗口是会动态变化的，可大可小，并不是下图中画的那样只有20字节；

4.4 引入滑动窗口机制 

        下面图中，如果32 ~ 45字节的数据状态不变，46 ~ 51字节的数据也已成功发送且未收到ACK确认，那么此时发送方的可用窗口就是0，在未收到新的ACK确认应答前无法继续发送数据。 

        如果32 ~ 45 字节中前一部分数据收到了ACK确认应答以后怎么办呢？总不能等这个窗口中的所有数据都被ACK确认应答后才换另一个窗口吧？这不是换汤不换药吗，TCP发送方还是要会花很长时间等待确认。然后，TCP就又引入了滑动窗口机制，让窗口动态滑动起来不就好了吗，前面已被ACK确认的数据我就释放掉，将窗口向右滑动，新进入窗口的数据开始发送，就这样边确认边滑动边发送，这不就提高了传输效率嘛。

        滑动窗口允许窗口内的报文数据，不需要等前一个报文段被ACK确认应答，就可以直接交给网络层进行传输，已被确认的数据会被窗口释放掉（还在缓冲区中，只是不在窗口内），窗口也随之向右移动，这样可大大提高TCP发送方的数据发送量。

4.5 发送方滑动窗口（四部分）

        如下图，当32 ~ 36字节的数据收到ACK确认应答后，如果发送窗口大小不变，则将窗口往右滑动5个字节，此时发送窗口就变成了由37 ~ 56字节组成的缓冲区了，后续就可以继续发送52 ~ 56字节之间的数据了。

发送方滑动窗口由以下四部分组成：

• SND.WND：发送窗口大小（由接收窗口Window大小决定）；
• SND.UNA：是一个绝对指针，指向的是#2已发送但未收到ACK确认应答内容的第一个字节数据所对应的序列号；
• SND.NXT：是一个绝对指针，指向的是#3可以发送但未发送内容的第一个字节数据所对应的序列号；
• 是一个相对指针，SND.UNA + SND.WND，指向的是#4未发送且不能发送内容的第一个字节数据对应的序列号。

可用窗口大小 = SND.WND -（SND.NXT - SND.UNA）

4.6 接收方滑动窗口（三部分）

• RCV.WND：接收窗口大小，会赋值给Window并发送给发送方；
• RCV.NXT：是一个绝对指针，指向的是期望发送方下次发送来的数据的起始序列号，即ack值；
• 是一个相对指针，RCV.NXT + RCV.WND，指向的是#4未收到且不可以接收的第一个字节数据对应的序列号。

5 快重传

5.1 快速重传机制

        引入滑动窗口机制后，发送方一次可发送多条报文，但又会面临一个新的问题，如果发出的多条报文中丢失了好几条怎么办，干等着超时重传吗？一个重传完继续判断另一个丢失数据？再重传？这种重传效率比较低，所以TCP就引入了快速重传机制，可大大提高重传速率。

        快速重传（Fast Retransmit）机制，本质还是为了提高传输效率，它不以时间为驱动，而是以数据驱动重传，在没有触发超时重传前，就已经触发发送方重传数据了。

        发送方利用滑动窗口机制一次发出了5条报文，如下图

• 接收方收到seq1报文，返回ack2；
• 接收方收到seq3报文，未收到seq2，还是返回ack2；
• 接收方收到seq4和seq5报文，但还未收到seq2，最终还是返回ack2；
• 发送方收到了3次重复的ack2，表明seq2丢失了，便立即重传丢失的seq2；
• 接收方收到seq2报文，返回ack6。

        快速重传的工作方式是当发送方收到三次冗余的（不含第一次）重复的 ACK 报文时，在RTO生效前，立即重传丢失的报文段，这样就可以有效缩短重传时间。但这里面还存在效率的问题，如果发送方发出了6条或更多条报文，假设 seq2 和 seq3 都丢失了，发送方在收到3次冗余的ack2报文后，此时它首先能肯定的是seq2丢失了，但不确定seq2之后的数据有没有丢失，怎么办呢？只能先把seq2发出去再说，等收到后面的ack后再判读有没有其它数据丢失。假设当前通信网络环境不佳，发送方发送了很多条报文出去，丢包率为10%，发送方如果还是按照上面这种方式重传报文的话，其实效率也没提高多少。为了解决快重传的效率问题，于是就有了选择性确认SACK（Selective Acknowledgment），该参数位于TCP报头的Options，发送方可通过SACK值来判断哪部分数据丢失，有针对性地进行快重传，大大提高了重传效率。

5.2 SACK

        选择性确认（SACK，Selective Acknowledgment）用于数据重传机制，位于TCP报头的Options。接收方可通过SACK参数告知发送方我方收到了不连续的数据块（ack=200，SACK=300-400），发送方可根据此信息检查哪部分数据丢失（对方收到200字节数据，接收到了300-400段，说明200-299段丢失了）并重传丢失的数据。

        TCP三次握手过程中，双方会通过“SACK Permitted”来互相声明自己是否支持SACK，只有双方都支持SACK时，TCP才会使用SACK。Linux开启SACK的方法如下

#linux系统中可通过修改net.ipv4.tcp_sack来决定是否开启SACK，Linux 2.4后默认开启
[root@reader ~]# sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_sack
net.ipv4.tcp_sack = 1
[root@reader ~]# find / -name *tcp_sack*
/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack
[root@reader ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_sack
1
[root@reader ~]# 

可以用echo或sysctl -w 来临时修改tcp_sack
也可以在系统配置文件 /etc/sysctl.conf 中，添加如下一行代码，永久修改 tcp_sack
net.ipv4.tcp_sack = 

5.3 D-SACK

        Duplicate SACK 又称D-SACK，主要是通过SACK来告知发送方有哪些数据被重复接收了。通过D-SACK可让发送方知道是我方发出的报文丢失还是对端返回的ACK报文丢失。如，发送方收到ack= 500，SACK=300-400这样的报文，意味着500之前的数据都接收到了，且重复收到了300-400的数据。

#linux系统中可通过修改net.ipv4.tcp_dsack来决定是否开启SACK，Linux 2.4后默认开启
[root@reader ~]# sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_dsack
net.ipv4.tcp_dsack = 1
[root@reader ~]# find / -name *tcp_dsack*
/proc/sys/net/ipv4/tcp_dsack
[root@reader ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_dsack
1
[root@reader ~]# 

可以用echo或sysctl -w 来临时修改tcp_dsack
也可以在系统配置文件 /etc/sysctl.conf 中，添加如下一行代码，永久修改 tcp_dsack
net.ipv4.tcp_dsack= 

6 流量控制机制

        通过滑动窗口机制有效提高了发送方的数据量和发送速率，但光提高发送方的发送速率也无法彻底解决问题，因为我们未考虑到接收方的数据处理能力，如果发送方的发送速率过高，而接收方的处理速率较低，就会出现接收方无法及时确认应答，发送方触发超时重传的情况，这样的话传输效率还是无法提高。所以，只有在发送方的发送速率与接收方的处理速率同步时，传输效率才能真正提高。

        流量控制机制：发送方根据接收方的实际接收能力来控制自己的发送速率。

        无论是发送方还是接收方，都有一个接收缓冲区，而接收窗口代表了当前可用于接收数据的缓冲区大小，接收方每次进行ACK确认应答时，都会把接收窗口大小放入到报头中的Window字段，发送方收到这条ACK报文后，可根据Window字段获知接收方的接收能力，并通过调整发送窗口大小来调整自己的发送速率，从而适应接收方的接收能力。

        发送方发送窗口的大小由接收方接收窗口的大小决定，但并不意味着两者就完全相等，因为有网络延迟，所以接收窗口大小一般约等于或稍大于发送窗口大小。

6.1 窗口关闭了怎么办？

        当窗口大小Window为0，也就是可用于接收数据的缓冲区大小为0，发送方将停止给接收方发送数据，直到窗口大小变为非 0 为止，这就是窗口关闭。

6.2 如何结束窗口关闭状态？

• 接收方主动结束窗口关闭状态。当接收缓冲区中的部分数据可以被确认时，这部分缓冲空间将被释放，可用于接收新的数据，同时接收方也会给发送方发送ACK报文，并声明Window大小，发送方收到这条ACK报文后会根据Window大小继续发送新的数据。
• 发送方主动探测窗口关闭状态。只要发送方收到Window=0的ACK报文，就会启动一个定时器，等计时器超时后，发送方会主动发送窗口探测（Window probe）报文，而对方在确认这个探测报文时，会给出自己现在的接收窗口大小。如果接收窗口仍然是0，那就重新启动计时器。如果接收窗口不是0，那就继续发送新的数据。

6 延时应答机制

        延时应答机制建立在滑动窗口机制基础之上，其实就是接收方在接收到报文数据后，并不会立即给发送方返回ACK报文，而是稍等片刻再返回，这样做不仅可以将多次ACK应答合并成一次ACK应答(累计应答)，有效减少了ACK应答次数，而且接收方在等待的这段时间内还能处理更多的数据，释放出更多的缓冲空间，接收缓冲区也因此变大，此时再给发送方返回的ACK报文中的Window也会比立即返回报文时的要大。所以，延时应答机制既能减少应答次数，还能变相的增大窗口大小，从而提高传输效率。

7 捎带应答机制

        捎带应答机制建立在延时应答机制基础之上，具体是指当一方要给对方发送非ACK报文时，此时刚好有ACK报文需要返回给对方，那么就将ACK应答内容合并到本报文中捎带着一起发送过去，这样的话可以有效减少应答次数，提高传输效率。

8 拥塞控制机制

        通过不同的策略，不断的探测网络的转发能力，调整发送方的发送数据量

• 慢启动
• 拥塞避免
• 快恢复

粘包处理

异常处理

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参考文章：4.2 TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制 | 小林coding