【网络原理】TCP协议如何实现可靠传输（确认应答和超时重传机制）

目录

一. TCP协议

二. 确定应答

三. 超时重传

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一. TCP协议

1）端口号 

• 源端口号：发送方端口号
• 目的端口号：接收方端口号
•  16位（2字节）端口号，可以表示的范围（0~65535）

 源端口和目的端口：表示数据从哪个进程来，到哪个进程去

2）序号/确认序号

• TCP将每个字节的数据都进行了编号即为序列号。
• 序号：标识数据包中第一个字节的序号，用于数据排序和可靠传输。
• 确认序号：接收方期望收到的下一个字节的序号

3）首部长度

•  这里的首部长度指的是报头长度
•  TCP报头中前20个字节（无选项部分）是固定长度，这里的选项部分可有可无
•  这里的单位是4个字节，可以表示的大小是60个字节（4*15）

4）保留位

•  在学习UDP协议的时候，UDP的长度受限于2个字节，如果想要进行扩展，就只能改变报头结构，但是改变结构，就会出现不兼容问题
• TCP这里使用保留位的机制（占位行为，我现在用不到，不代表我以后用不到），如果后面需要扩展，只需要修改保留位就可以实现

5）窗口大小

•  接收方告诉发送方当前可接收的数据量（单位：字节），用于流量控制。
• 窗口大小的调整是动态的 

6）校验和

•  校验TCP报头和数据部分的完整性，检测传输错误。
• 和UDP相同，使用算法，通过对比数据来进行检验

7）紧急指针

•  仅在URG=1时有效，指示紧急数据的末尾位置

8）选项

• 可选的TCP头部选项，用于扩展TCP功能。

9）标志位

 TCP最核心的部件

• URG（Urgent）：表示是否包含紧急数据。
• ACK（Acknowledgment）：表示确认号是否有效。
• PSH（Push）：表示是否立即推送。
• RST（Reset）：表示连接是否复位。携带RST标识的称为复位报文段。
• SYN（Synchronize）：表示同步请求/应答。携带SYN标识的称为同步报文段
• FIN（Finish）：表示传输结束。携带FIN标识的为结束报文段。

• TCP的6位标志位默认为0，当返回相应的报文时，会把该报文位设置位1。

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二. 确定应答

 确认应答

 TCP用于保证可靠性，最核心的机制——确认应答

在网络通信过程中，谁也无法100%保证，接收方一定可以收到数据

 这里的可靠性，是指发送方可以知道接收方有没有收到数据

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如何判断发送成功？

• 发送方发送数据，如果接收方收到数据，就会返回一个应答消息
• 发送方收到了应答消息，则表示数据发送成功

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如果发送方一次性发送多条数据，则很有可能会出现后发先至的情况

后发先至

上述就是一个后发先至的情况，先发送的数据最后达到，这样会导致理解发生变化

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为什么会出现后发先至的情况？

• 在网络传输中，大部分都是依靠多个路由器/交换机进行转发信号，很少通过一根网线进行通信
• 在中间的网络传输中，从发送方到接收方传输的过程中，走的路径可能不同
• 有点路径畅通，有的路径某一时刻传输数据多，造成堵塞情况（堵车），最终导致数据到达的时间有差异

通过引入序号和确认序号，解决后发先至的问题，

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 引入序号

•  就是通过引入序号，可以明确数据收到的顺序
•  接收方和发送方都希望读取的数据顺序正确，顺序发生错误对逻辑处理会产生影响

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 TCP传输数据不是一条一条传输的，TCP传输的单位是字节，TCP的序号和确认序位都是字节

•  发送方的报头中的序号是起始序号，告诉接收方这段数据是从哪里开始的
• 载荷中的单位也是字节，每一个字节对应一个序号，载荷中的字节是连续的

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确认报文 （ACK）

应答报文：只有报头，没有载荷

• 接收方每次收到数据都会返回一个应答报文，在应答报文中，使用确认序号返回一个字节
• 确认序号：接收到的最后一个字节数加1 

如何区分应答报文？  

• 看标志位 
• ACK 为 0 表示不是应答报文
• ACK 为 1 表示是应答报文

确认序号含义：1.这个序号之前的字节都收到了，2.接下来从这个序号开始发送数据

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• 在接收方这里存在一个缓冲区（类似优先级队列），以序号为优先级参考依据
• 引入这样的机制，可以保证接收的数据都是有序的 

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三. 超时重传

在传输的过程中，可能会发生数据丢失现象，这里分为两种发送数据丢失和ACK丢失 

•  如果发送数据丢失，接收方没有收到，肯定不会返回ack报文
• 如果接收方收到数据，但是返回的ack报文丢失

 为什么会发生丢包？

 在网络传输的过程中，某个路由器/交换机，突然负载量很高，短时间处理大量数据，超过了负荷，那么多余的部分就会被设备丢弃

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发送数据丢失

•  解决方案很简单，就是再发送一次
• 这里发送方会等待一定的时间间隔，如果还没有接收到ack报文，则会重新发送一次

ACK报文丢失 

•  接收方再次发送数据，接收方发现这个数据重复会直接丢弃，然后返回一次ACK应答报文

 无论是数据丢了还是ack报文丢了，发送方是无法区分的，发送方只会再发送一次

接收方会有一个缓冲区，用来接收数据，当数据到达缓冲区，接收方首先会在缓冲区检查，这个元素是否存在或者曾经存在过，如果存在或者存在过，则直接丢弃掉这个数据，确保这个数据不会读取两次

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 如何发现重复数据?

 依靠序号

• 拿着接收方发来的数据，跟缓冲区中的所有序号进行对比，如果有一样的，表示这个数据存在，直接丢弃
• 这里跟所有的序号对比，一定是从序号小的开始（将缓冲区看成带有优先级的阻塞队列）
• 如果经过对比没有发现这个序号，那么查看最后一次读到的序号
• 如果读到的最后一个序号是200，那么表示200之前的数据都已经收到了，传来的序号如果比200小，则表示已经收到了这个数据

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超时重传，并不是无限次进行重传，也有一定的策略

• 重传次数有上限，如果多次重传，依旧没有用，则会重置连接，如果重置失败，则放弃连接
• 重传的时间阈值，会逐渐变大，次数越多，等待的时间越久（频率越低）

如果重传了很多次，依旧没有收到ack应答，说明网络出现了很严重的故障，重传的意义也不大，还不如休息，节省cpu资源 

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