【TCP】核心机制：延时应答、捎带应答和面向字节流

延时应答

尽可能降低可靠传输带来的性能影响
提升性能==>让滑动窗口变大

• 如果我们立即返回 ACK，此时窗口大小就是 4KB
• 其实在收到数据的时候，应用程序也在源源不断的消费接收缓冲区中的数据
  • 所以我们返回的时间可以晚一些，这样应用程序就有机会读取缓冲区中更多的数据
  • 假设让 ACK 不是立即返回，而是 100ms 之后再进行返回，这就意味着，此时在 100ms 之内，应用程序可能又消费掉 2KB 的数据了，此时返回的 ACK 携带的窗口大小就是 6KB
    延时返回的 ACK 窗口大小，大概率要比立即返回 ACK 的窗口大小更大，因为在这个时间里，会有一个消费数据的过程
• 不是一定，只是有“大概率”，关键取决于程序是不是在不停地读取数据、延时时间内发送方是否会新发数据过来（发多了窗口还变得更小了）

捎带应答

在延时应答的基础上，引入的提升效率的机制，把返回的业务数据和 ACK 两者合二为一了

实际网络通信中，大部分情况都是“一问一答”的形式

• ACK 是内核返回的，是收到请求之后，立即就返回 ACK
• 响应，则是应用程序返回的，代码中根据请求，计算得到响应，再把响应写回到客户端
  正常情况下，ACK 和响应是不同的时机，无法合并。但是，ACK 涉及到“延时应答”，
• 延时应答就会使 ACK 的返回时间被往后拖，这样一延时，就可能赶上接下来发送响应数据的操作了
• 也是就可以在发送响应的时候，把刚才 ACK 的信息也带上
  • 本身 ACK 报文，不需要载荷，包头中，设置 ACK 这一位为 1，设置窗口大小的值，设置确认序号
  • 响应数据主要是设置载荷，和 ACK 不冲突，可以共存
    

• 在四次挥手中也说到过这样的情况，ACK 和 FIN 是不同的时机，不能合并在一起
• 但是，在延时应答之下，ACK 可能返回的时间更晚，此时，就可能可以和 FIN 合并，使四次挥手变成三次挥手

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比如说，你在床上口渴了，但是你不想起来，就等到要上厕所的时候再起来，顺带把水喝了

延时应答，捎带应答都是 TCP 提升性能的机制。TCP 之所以复杂，不仅仅在考虑可靠传输，还要在可靠传输的基础上尽可能提高效率

面向字节流

读写 100 个字节的数据

1. 可以一次读写一个字节，分 100 次
2. 一次读写 10 个字节，分 10 次
3. 一次读写 50 个字节，分 2 次
4. 一次读写 100 个字节，一次搞定
5. …

粘包问题

通过面向字节流的方式传输数据，都是会涉及到“粘包问题”

• 粘的是 TCP 携带的载荷（应用层数据包）

• aaa、bbb、ccc 分别是三个不同的应用层数据包

• 接收方那边就有一个接收缓冲区，三个数据就进去了

• 应用程序需要读取接收缓冲区中的数据，由于 TCP 是面向字节流的，所以怎么读都可以

  • 可以读成：a，aa，b，bb，ccc
  • 也可以：aaa，b，b，bc，cc
  • 存在很多种读法

• 但只有一是正确的读法，才是完整的“应用层数据包”

应用层在 TCP 的接收缓冲区中连成一片，就称为“粘包问题”

要想解决粘包问题，关键就是要明确“包之间的边界”

方案一：指定分隔符

前面在写 TCP Echo Server 的时候，我们约定：请求和响应都以 \n 结尾。

• 发送请求响应的时候，专门使用 println 进行写数据
• 接受请求响应的时候，专门使用 scanner.next 按照 \n 进行解析

需要确认数据内容的正文中，不能包含分隔符。如果传输的数据，是纯文本数据的话，此时使用 \n 或者 ; 之类的可能都不合适，但是可以使用 ASCII 码表中的一些不常见的字符

方案二：指定数据的长度

比如，约定在每个应用层数据包开头的几个字节，表示数据包的长度

• 如果是传输二进制数据，这个方案就很有用

如果希望在文件中存储结构化数据，也是存在这样的问题的。所以存文件，也经常会使用 XML/JSON 这样的格式来存储（也就是解决粘包问题）
UDP 这种面向数据报的传输方式，不涉及到上述问题，因为 send/receive 得到的就是一个完整的 DatagramPacket，这里携带的二进制的字节数组，就是一个完整的应用层数据包

TCP 报头

首部长度

TCP 报头的长度

• UDP 协议报头固定就是 8 个字节
• 对于 TCP 来说，报头长度是可变的
  4 个比特位可表示的范围：
• 0000~1111——>0x0~0xF——>0~15
• 此处的长度单位是 4 字节，不是字节（所以范围是 0~60 字节）

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保留（6 位）

虽然现在不用，但是先把这个东西申请下来，以备不时之需。用于考虑未来的可扩展性

• 充分吸取了 UDP 的教训，UDP 的报文长度字段，是没法扩展的
• 如果未来某一天，TCP 需要新增属性或者谋和属性的长度不够用，就可以把保留位拿出来，进行使用
• TCP 的结构不需要发生太大的改变，这样的升级就会容易很多

关于“可扩展性”也是属于编程的时候需要考虑到的一点，毕竟写的代码不可能写一份就能持续地使用。对代码做出调整，做出修改，是非常普遍、常见的情况
但是，

选项

TCP 报头边长的主要原因。四个字节为一个单位

• 可以有, 也可以没有
• 可有一个，也可有多个
  通过“首部长度”确定报头有多长，如果是两个四个字节长度就是两个选项，三个四个字节长度就是三个选项，以此类推

序号

由于会出现“后发先至”的情况，所以需要通过编号，区分出数据的先后顺序
序号：表示的就是 TCP 数据报载荷中的第一个字节的序号，由于序号是连续递增，知道了第一个字节的序号，后续每个字节的序号也就知道了

• 32 位/四字节，表示的范围是 0~42亿9千万（0~4G）
• 因为 TCP 是面向字节流的，所以一个 TCP 数据报和下一个 TCP 数据报携带的数据，是可以直接进行拼装的
• 比如要传输一个特别大的数据，传输过程中，本身就会通过多个 TCP 数据报来进行携带，这些 TCP 数据报彼此之间携带的载荷都是可以在接受方自动拼起来的
  • 这样就不像 UDP 存在传输的上限，使用 UDP 传输大数据，就需要考虑调用这一次 send 操作，参数是否超过了 64KB，超过了就不行
  • 使用 TCP 的话就没关系，可以调用一次 write，也可以调用多次 write。无论怎么进行 write，在网络传输和对端接收的角度来看是没有任何差别的
  • 如果多次 write，传输的总数据量超过上述的 4G 也没关系，这里的数据序号是可以再从 0 开始重新设置的

确认序号

确认序号的设定方式，和后发先至中发短信的例子，略有差别

• TCP 序号不是按照“一条两条”来编排的，而是按照“字节”来编排的
  

TCP 的确认序号这里，填写的是 1001，接收方收到的数据的最后一个字节序号的下一个序号

• 表示的含义是 <1001 的序号的数据都收到了（TCP 序号是连续增长的）
• 对于应答报文来说，“确认序号”就会按照收到的数据的最后一个字节序号+1 的方式来填写
• 并且六个标志位中，第二个标志位（ACK）会设为 1
  • 普通报文的 ACK 为 0，应答报文的 ACK 为 1
  • 如果是普通报文，序号是有效的，确认序号是无效的；如果是应答报文，序号和确认序号都是有效的
  • 应答报文的序号是另一套编号体系，和传输数据的序号是不一样的
  • 应答报文默认情况下是不携带数据的