计算机网络（36）TCP可靠传输的实现

前言

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP通过多种机制实现可靠传输，这些机制主要包括连接管理、序列号和确认应答机制、重传机制、流量控制、拥塞控制等。

一、连接管理

TCP使用三次握手（Three-Way Handshake）来建立连接，确保通信双方已经准备好进行数据传输。具体过程如下：

第一次握手：客户端发送一个SYN（同步序列号）报文给服务器，表示请求建立连接，并包含一个初始序列号（ISN）。
第二次握手：服务器收到SYN报文后，回应一个SYN-ACK（同步序列号和确认号）报文，表示同意连接，并发送自己的初始序列号。
第三次握手：客户端收到SYN-ACK报文后，发送一个ACK（确认）报文，确认已经收到服务器的初始序列号。至此，连接建立完成。

TCP还使用四次挥手（Four-Way Handshake）来终止连接，确保双方都已完成数据传输并准备关闭连接。具体过程包括发送方发送FIN（结束）报文、接收方回应ACK报文确认收到结束请求、接收方发送自己的FIN报文表示准备关闭连接、以及发送方回应ACK报文确认收到结束请求。

二、序列号和确认应答机制

TCP为每个字节分配一个唯一的序列号，用于确保数据按序到达。接收方使用确认号告知发送方已经成功接收到的数据字节数，从而提供正向确认机制。这种机制可以确保数据的完整性和顺序性。

三、重传机制

超时重传：发送方在发送数据包时，会启动一个计时器。如果在这个计时器到期之前没有收到对应的ACK，发送方会认为这个数据包丢失，并重新发送。超时重传时间是根据往返时间（RTT）动态调整的。
快速重传：发送方在收到三个重复的ACK报文后，会立即重传丢失的数据段，而不等待超时。这种机制可以更快地恢复丢失的数据包，提高传输效率。

四、流量控制

TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制。窗口大小决定了发送方在等待接收方确认前可以发送的数据量。接收方通过在ACK报文中告知发送方其接收窗口的大小，以控制发送方的数据发送速度。这种机制可以避免发送方发送数据过快超过接收方的处理能力。

五、拥塞控制

慢启动：在连接开始时，发送方以指数增长的方式增加拥塞窗口的大小，逐步探测网络的负载能力。
拥塞避免：当网络达到一定负载时，发送方以线性增长的方式增加拥塞窗口，避免拥塞。
快速重传和快速恢复：在快速重传后，发送方不进入慢启动阶段，而是将拥塞窗口减半，并继续数据传输。这种机制可以更快地恢复网络拥塞状态，提高传输效率。