【网络】详解TCP协议中的可靠传输

一. TCP协议段格式

TCP协议段格式相比UDP要复杂很多，很多内容需要我们了解TCP的一些特性后才能理解，为了理解TCP传输的可靠性，此处需要重点关注32位序号，32位确认序号，ACK这几个组成部分。

二. 确认应答——确保可靠性的核心机制

这里所谓的可靠性，并不是说我们发出的数据对方一定会接收到（真实的网络情况特别复杂，各种意外情况都存在，比如：挖掘机铲断网线/光纤、接收方停电），而是说尽可能地去保证对方能够接收到数据，并且发送方能够知道对方是否有收到这部分数据。

1.确保时序

由于真实的网络情况比较复杂，极有可能出现后发先至的情况，那此时表达的逻辑含义就有可能出现错误。

为了解决这个问题，引入了32位序号，32位确认序号，对数据进行编号，应答报文里就告诉发送方说，我这次应答的是哪个数据。

由于TCP是面向字节流的，所以编号也是相对于字节。TCP就对每个字节都进行了编号（实际情况不是从1开始编号，这里是简化了模型）。

那这里的32位序号存储的就是发送数据的第一个字节的编号；32位确认序号存储的就是本次发送数据的最后一个字节的序号+1。（比如这张图片中的序号1和确认序号1001）。
对数据进行编号后，想要达到不出现“后发先至”的情况，实际上还依赖于接收缓冲区。即数据到达接收方后并不会被应用层直接读走，而是要在接收缓冲区排好顺序，再依次读走，如果出现“后发先至”的情况，数据就会在接收缓冲区等待序号靠前的数据。

2.确保发送方知道数据是否被对方接收到

这个有赖于“ACK”（acknowledge）的作用，上面图片中提到的确认应答（应答报文，无载荷，只是告诉对方数据收到或没有收到）。在正常发送的报文中，ACK这一位为0，而在应答报文中，这一位为1。

那结合ACK和序号/确认序号：

如果没有返回确认应答（ACK报文）或者返回的确认应答中确认序号不对（比如发送数据1001~2000之后，仍然返回确认序号为1001的ACK报文），此处就要涉及到超时重传：

三. 超时重传

没有收到ACK报文的情况主要有两种：

1. 发送的数据丢包

这种情况接收方本来就没有接收到数据，此时重传没有任何问题。

2. ACK报文丢失

这种情况下也会引起超时重传，但显然此时接收方已经拿到了数据，只是没有返回ACK报文而已。此时重传数据，就会引起数据的重复。那这样的问题如何解决呢：
答案是依赖于接收缓冲区的去重功能，核心判定依据为数据的序号。此处可能有以下几种情况：

1. 数据还在接收缓冲区里，没被应用程序读走
   这种情况比较简单，此时就是拿着新收到的数据的序号，和缓冲区中的所有数据的序号对一下，有一样的就是重复发送，就要把新收到的数据丢弃掉。
2. 数据已经被应用程序读走
   应用程序从接收缓冲区中读取数据是按照序号的先后顺序，连续读取的。一定是先读序号小的，再读序号大的数据。此时socket api就可以记录上次读的最后一个字节的序号是多少。那如果重传来的数据序号比这个记录值小，就说明重复了，会被抛弃掉。

虽然数据包会被丢弃掉，但是仍然要返回ACK报文，否则发送方没有接收到ACK报文，就会继续重传。

但是重传也不是无限的去重传，重传过程也有一定的策略：

1. 重传次数是有上限的，重传到一定次数，如果还没有ack，就尝试“复位”连接，如果仍然不行，就单方面的放弃连接。
2. 重传会随着重传次数的增加越来越慢，重传频率会越来越低。

比如说在一次网络通信的过程中，丢包的概率为10%（相较于现实情况很大，为了简化模型），那传输一次的成功率就是90%，传输两次的成功率就是99%（90%+10%*90%），传输三次的成功率就是99.9%（99%+1%*90%）…

也就是说如果多次传输仍不能到达，大概率是出现了比较严重的网络问题，此时少重传几次，也可以节约开销。