TCP是怎么实现可靠传输的

前言

我们都知道tcp的传输是可靠的，那么你知道tcp是如何实现数据的可靠传输的吗？今天就和大家一起探讨一下tcp是如何实现数据可靠传输的。

可靠传输的工作原理

我们知道网络传输是不可靠的，因为网络有着许多的不可控因素。那么要达成可靠的传输，我们需要满足以下两点。

1.数据能够准确传递到接收端

2.接收端处理数据的速度要能够跟上发送方发送数据的速度。

针对这两点，于是就有了停止等待协议。

什么是停止等待协议呢？

简单来说发送方在每次发送数据之后，必须要等到接收方的确认响应之后再继续发送后面的数据。很明显这样做虽然很简单，但是同样会带来一些问题。

问题一：发送方在发送完数据之后，需要一直等待接收方的确认答复。这样网络传输的效率非常低。

问题二：如果传输过程中有差错导致接收方没有接收到数据，那么接收端不会恢复确认，而发送方一直等待接收端的答复，那么就形成了死锁。

针对问题二，为了避免死锁的出现，于是有了超时重试机制。发送方会维护一个超时时间和一个信息的副本（用于重试，接收到确认信息后才删除），发送方发送完信息之后就会启动一个超时计时器，超时之后如果没有收到接收方的确认信息，那么就会重新再次发送。如果在超时时间内接收到了确认信息就撤销超时计时器。

这样死锁问题得到了解决，但是问题一的问题依旧存在，信道的利用率太低了，导致网络传输的速率太慢了。所以需要进一步优化。

于是就有了滑动窗口协议。而TCP正是基于滑动窗口协议来实现可靠传输的，所以我们重点分析滑动窗口协议。

滑动窗口协议

什么是滑动窗口协议？

将数据以字节为单位，并且为每个字节设置一个序号，并且发送端和接收端都需要维护一个窗口。

发送端：只有在发送窗口内的数据才可以被发送，发送窗口发送完数据之后需要等待接收端的确认，如果数据被确认之后，那么发送窗口就向右移动。

发送端滑动窗口示意图：

接收端：接收并且已经发送过确认消息的数据可以不用保存，只有在接收窗口内的数据才可以被接收。并且在接收端会维护一个期望收到的序列号（在图中也就是3），如果接收端接收到了4，5，6，但是没有接收到3，那么是不能够发送确认消息的。直到接收到序号3的数据，才会发送3，4，5，6的确认信息给发送端，然后将接收完的数据丢弃，并且向右移动接收窗口的预期接收序号值。

接收端滑动窗口示意图：

同样为了避免死锁，发送窗口协议同样有超时重发机制。

超时重发机制需要注意的是：接收端如果接收到一样的数据，那么可以直接丢弃数据，但是每次接收到数据，依旧需要发送确认接收消息给发送端。

很明显，滑动窗口协议相对于停止等待协议的信道利用率得到了很大的提高。

流量控制

前面我们提到了，接收端接收消息的速度一定要大于发送端发送消息的速度，不然就会导致接收端处理消息处理不过来，从而导致越来越多的消息超时，进而导致许多消息重发，这显示会降低我们的网络的传输效率。那么TCP是如何控制发送端的发送速度的呢？

接收端每次接收完消息之后，会发送一个报文将自己还能接收数据的窗口大小返回给发送端，如果还能接收数据的窗口大小为0，那么发送端是不能够继续发送消息的。

但是这样可能会出现一种极端情况：当接收端发送了零窗口的报文给发送端之后，接收端确认接收了100个数据，于是有了一些存储空间，于是又向发送端发送了一个100窗口的报文，但是不巧的是，刚好这个报文发送端没有接收到，那么就会导致发送端一直等待接收端的窗口报文，而接收端一直等待发送端发送消息，也就导致了死锁。

那么TCP是如何应对这种情况的呢？

为了解决这个问题，TCP为每个连接都设置了一个持续计时器，只要TCP连接的发送方收到了零窗口通知，那么就开启持续计时器，持续计时器的时间到了，就发送一个零窗口探测报文，而接收端接收到之后就回复当前最小的可接收数据的窗口值。

TCP的拥塞控制

什么是拥塞？在计算机网络中的宽带，交换节点中的缓存和处理机等网络资源不足，从而导致网络性能变差。简单来说就是资源的需求大于可用资源。

TCP怎么确定发生了拥塞？

TCP在发送端超时没有接收到接收端的确认消息就认为是出现了拥塞。

TCP拥塞控制的算法

慢开始算法

发送方维持一个叫做`拥塞窗口cwnd`的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口（注意还有流量控制的限制，所以发送窗口的值只能为拥塞窗口和可接收数据窗口之间的较小值）。

一开始设置cwnd的值为1，每次接收到确认消息之后cwnd翻倍，所以cwnd会呈指数变大。增加的速率会非常快，不能让cwnd无限制的指数增长下去，所以会有一个慢开始门限ssthresh。如果达到了慢开始门限，那么就会采用拥塞避免算法。

简单来说：

当cwnd < ssthresh，使用慢开始算法。

当cwnd > ssthresh,使用拥塞避免算法。

当cwnd = ssthresh，既可以使用慢开始算法也可以使用拥塞避免算法。

拥塞避免算法

拥塞避免算法的思路就是让cwnd缓慢的增长，每次收到接收方的确认消息，那么cwnd +1，让cwnd呈线性规律增长。

快重传算法

如果网络出现拥塞，那么就直接跳回到慢开始，会导致网络传输的速率突然变得特别慢。而且如果只是个别数据丢失，那么跳回到慢开始算法显得没有那么有必要，所以有了快重传算法。

举个例子：

发送端发送1，2，3三个数据给接收端，而接收端只接收到了1和3，没有接收到2，那么接收端需要对1进行重复确认，如果发送端收到三次重复确认，那么就知道2丢失了，就会马上重新传2过来。这就是快重传算法，不会因为个别数据丢失导致超时，从而跳回到慢开始算法，而是启动快恢复算法。

快恢复算法

将慢开始门限ssthresh和新的cwnd都设置为原cwnd/2，然后执行拥塞避免算法。

至此，关于TCP是如何实现可靠传输已经分析完了，相信大家对TCP的可靠传输已经有了一定的理解了。

最后

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