TCP 协议的相关特性

1. TCP格式 

  TCP特性：有连接，全双关，面向字节流，可靠传输。（TCP安身立命的本钱，初心就是解决“可靠传输”问题）

  其实TCP的特征有很多这里我就简单的介绍几个。

  2. 确认应答

  其实用来确保可靠性，最核心机制。就用我女神来简单举个例子。

   其实我发出短信之后，我也不知道是否发送成功，此时我们也不知道对方是否有收到，是不是对方收到一个消息回一个消息，是不是也可能出现“后发先至”的情况。为了解决上述问题，引入了序号和确认序号，对于数据进行编号，应答报文里就告诉发送方说，我这次应答的是哪个数据。

下图就是确认应答的伪图：

 

 3. 超时重传（是确认应答的补充）

  定义：如果一切顺利，通过应答报文就可以告诉发送方，当前数据是不是成功收到。但是网络上可能存在“丢包”情况，如果数据包丢了，没有到达对方，对方自然也没有ack报文了，这个情况下，就需要超时重传了。TCP可靠性就是在对抗丢包，期望在丢包客观存在的背景下，也可能尽可能的把包给传过去，发送方发了个数据之后，要等，等的时间里，收到了ack（数据报在网络上传输，需要时间的）如果等了好久，ack还没等到，此时发送方就认为数据的传输出现丢包了。当认为丢包之后，就会把刚才的数据包再传输一次（重传），等待的过程有一个时间的阈值（上线），就是（超时）。

  此时就会出现了几个典型的ack问题（这里讲俩个）：

第一个情况：接收方本身就没收到数据，此时你重传理所应当，没有任何问题。

第二个情况：数据已经被B收到了，再传输一次，同一份数据，B就会收到俩次。

  这时TCP socket在内核中存在接收缓冲区（一块内存空间）发送方发来的数据，是要先放到接收缓冲区中的。然后应用程序调用read/scanner.next 才能读到数据，这里的读操作其实是读接收缓冲区。接收缓冲区，除了能够帮助我们去重之外，还能够进行排序。

  注意点：超时是会重传，重传也不是无线的重传，也要有一定的策略。

  1. 重传次数是有上限的，重传到一定程度，还没有ack，就尝试连接，如果重置也失败，就直接放弃连接。

  2. 重传时间超过阈值也不是固定不变的，随着重传次数的增加，而增大（而重传频率越来越低）

 4. 连接管理

 4.1 建立连接（三次握手）

  这个处于accpet之前的阶段。此处谈到等等连接“虚拟的，抽象的”连接，目的是让通信双方都能保存对方的相关的学习。

  所谓的建立连接过程，本质上是通过双方各自给对方发起一个syn，各自给对方一个ack。（这里客户端的信息告知服务器，这个操作确实在第一次握手的时候就完成了，但是最终强力出这个连接要建立，确立出后续要进行通信，还是得所有流程都走完）

这个是详细图：

那我们为什么要握手呢？？？意义何在？

 1. 三次握手，可以先针对通信路径，进行投石文路，初步的确认一下通信的链路是否畅通（可靠性的前提条件）。

2. 三次握手，也是在验证通信双方，发送能力和接受能力正常。

注意：三次握手对于“可靠传输”这件事情，是有意义，起到了一些作用，但是他的作用有限，关键的可靠传输还是通过确认应答以及超时重传来保证的（毕竟三次握手，只是通信最开始的时候，握了一下，后面数据开始传输了，就和三次握手无关了）。

4.2 断开连接（四次挥手）

 是不是有一个问题四次挥手能不能跟三次握三一样合并一个？？它是有点时候能合并，有的时候不能合并，在实际通信过程中，ack和第二个fin时间间隔比较长，此时就无法进行合并了，就分俩次来传输。

四次挥手和三次握手之间的相似之处和不同之处： 

相似之处：

  都是通信双反各自给对方发起一个syn/fin，各自给对方返回ack，数据传输的顺序,syn/ack/syn /ac k, fin/ack/fin/ack。

不同之处：

  三次握手中间俩次一定能合并，四次挥手则不一定。三次握手必须客户端主动，四次挥手，客户端/服务器都可以主动。   

 详图：

这里TIME_WAIT存在的意义，主要是防止，最后一个ACK丢包。服务器如果没有收到最后一个ACK，就会重传FIN。一般最多等待2MSL。

5. 滑动窗口

  为什么有滑动窗口？？一为了批量传输，之前发一个数据等待ack，再发一条数据，现在是连续发了一定数据之后，统一等一波ack，把多次请求的等待时间，使用同一份时间来等了，减少了总的等待时间。

虽然减少了时间也出现了问题；

1. ack丢了

  这里要了解ack的用处了，ack是放回1001之前的数据传输成功而，这里1001没有穿过去，但是2001的穿过去了，表示2001之前的传输成功，是不是包含了1001，所以这里ack掉了不用任何操作。

2.数据丢了

  在上述重传过程中，整体的效率是非常高的。这里的重传做到了“针对性”的重传，哪个丢了就重传哪个，已经收到的数据，是不必重复发送的（因为TCP有个接受缓冲区，这边发的数据到了接收方都是先放到接收缓冲区里的排队）。整体的效率没有额外的损失，就把这种重传成为“快速重传”。

6.流量控制

  滑动窗口越大，此时传输数据的速度越快，但也不能无限快，但是接收方的接收能力存在上限，取决于接收方应用程序，读取接收缓冲区的熟读，这里需要根据接收方的处理能力（使用接受缓冲区剩余空间大小）反向影响发送方的发送速率。

  当窗口大小为0，意味着接受缓冲区满了，此时发送方就应该暂停发送，发送方会周期的触发“窗口探测包”并不携带载荷，这样的包对于业务不产生影响，只是为了触发ack。一旦查询出来的结果，是已经非0 了，缓冲区又行了，发送方继续发送。

7. 拥塞控制

  都是要限制发送方发送数据的速率，流量控制是站在接收方的角度来制约发送方速率。也符合木桶效应，能装多少水，取决你“最短的板”。

这里就举了方法：

1. 慢启动： 刚开始传输的数据，速率是比较小的，采用的窗口大小也就比较小，此时，网络的拥堵情况未知，如果一上来就搞很大，可能就让本来不富裕的网络带宽，雪上加霜。

2. 如果上述传输的数据，没有出现丢包，说明网络还是流畅的，就要增大窗口大小，此时，增大方式是按照指数来增长（*2）

3. 指数增长，不会一直持续保持的，可能会增大太快，一下导致网络拥堵，这里引入了一个“阈值”，当拥塞窗口达到阈值之后，指数增长就成了线性增长。

4. 线性增长也是一直在增长，积累一段时间之后，传输的速度可能太快，此时还是会引起丢包。一旦出现了丢包，就把拥塞窗口重置成比较下的值，回到最初的 慢启动过程，并且这里也会根据刚才丢包的窗口大小，重新设计阈值。、

8. 延时应答

也是基于滑动窗口，是要尽可能的再提高一点效率，结合滑动窗口以及流量控制，能够通过延时应答ack的方式，把反馈的窗口大小，弄大点。（核心让窗口尽可能大） 

如我们前面讨论的：滑动窗口下如果ack丢了，没啥影响，延时应答具体怎么延时，也不是简单的按照时间，而是可以按照ack丢了的方式来处理，正常每个数据都会有ack，此时就可以每隔几个数据再放回ack了（每隔几个数九，就能起到了延时应答的效果）。另外也能减少ack传输的数量，也能起到节省开销的效果。 

9. 捎带应答

  基于延时应答引入的机制，能够提升传输效率，修改窗口大小，确实是提升效率的有效途径，捎带应答，就是走另一条路，尽可能的把能合并的数据包进行合并，从而起到提高效率的效果。 

10. 面向字节流

主要的是一个粘包问题的处理。此处的包是“TCP的载荷中的应用数据包”。

  粘包问题不是TCP独有的问题，只要你是面向字节流的，都是同样的问题的，解决问题的关键，就是明确包之间的边界：

  1. 通过特殊符号，作为分隔符。

  2. 指定出包的长度，比如在包开始的位置，加上了一个特殊的空间来表示整个数据的长度。

11. 异常情况

  11.1 其中有一方出现了进程崩溃

  进程无论是正常结束，还是异常崩溃，都会触发回收文件资源，关闭文件这样的效果（系统自动完成的）就会触发四次挥手，TCP连接的生命周期，可以比进程更长一些，虽然进程已近退出了，但是TCP连接还在，仍然可以继续进行四次挥手。

  11.2 其中一方出现了 关机

  点了关机之后，此时四次挥手不一定能挥完，系统马上要关闭了。如果挥的快，就能顺利挥完。但是如果挥的慢，至少也把第一个fin发给对端，至少告诉对方，我这边要结束了，对端收到fin之后，对端进入释放连接的流程了，放回ack并且也发fin，这里的fin不会有ack了。就会直接单方面删除连接信息。 

  11.3 其中一方出现了断电

  对端是发送方：与主机关机执行机制顺序相同：接收不到ack->超时重传->重置连接->释放连接。

  对端是接收方：对端无法立即知道此电脑是未发送新的数据还是直接关机。因此TCP内置了心跳包（保活机制），对端会定期给此电脑发送一个心跳包，此电脑会返回一个回应。如果每个心跳包都有及时的回应，就说明当前的状态良好。如果心跳包发送过去后没有回应，就说明此电脑关闭。       

11.4 网线断开

  执行的顺序与断电的一致。