【网络原理】TCP协议的相关机制（确认应答、超时重传）

系列文章目录

【网络通信基础】网络中的常见基本概念

【网络编程】Java网络编程中的基本概念及实现UDP、TCP客户端服务器程序（万字博文）

【网络原理】UDP协议的报文结构及校验和字段的错误检测机制（CRC算法、MD5算法）

文章目录

一、TCP协议的特性

TCP协议段格式

二、TCP协议的相关机制

1. 确认应答

2. 超时重传

一、TCP协议的特性

前面介绍过，TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网中的一种有连接的、可靠的、面向字节流、全双工的传输层协议。它是TCP/IP协议族中的一个重要组成部分，用于在网络中可靠地传输数据。

TCP协议是以后工作中最常用到的传输层协议，也是面试最常考的协议，非常非常重要！

TCP协议段格式

TCP协议段（Segment）的格式如下图所示：

由于TCP报头最大长度是60字节，而除选项外，其余报头字段加起来一共是20字节，是固定的。这个选项部分是可选的，因此选项部分为0 ~ 40个字节。

可以看到，TCP报头是比UDP报头复杂很多的。

TCP的内部机制也是很多的，需要了解TCP的这些机制，才能理解报头的含义。

二、TCP协议的相关机制

1. 确认应答

确认应答，可以说是TCP协议用来确保可靠性，最核心的机制。

假设你给“朋友“发了一条短信：

当你发出短信后，你可能会期待朋友收到并回复你，以确认他已经收到了你的短信。如果你很长时间没有收到回复，你可能会怀疑短信没有发送成功（前提是朋友一定会回复你的短信）。
如果朋友此时收到短信，并给你回复了，你看到回复，就可以知道之前发的短信是一定被正确收到了。在这里，朋友的回复就相当于确认应答。

再假设，你给“朋友”发了两条短信：

由于网络传输过程中，经常会出现"后发先至"的情况。导致朋友回复短信的时候，回复短信的顺序和发送短信的顺序是不一致的，就容易发生“答非所问”的情况。

出现后发先至的情况是，由于网络拥塞或者数据包的路由选择引起的。这种情况可能发生在网络中存在多条路径，但是不同路径的延迟不同，导致一些数据包比其他数据包先到达目的地。

为了解决上述问题，TCP就入了序号和确认序号。通过对数据进行编号，应答报文里就告诉发送方，我这次应答的是哪个数据。

而TCP是面向字节流的，以字节为单位进行传输的。因此，TCP的序号和确认序号都是以字节来进行编号的。如下图：

假设载荷有1000个字节，一个载荷就有1000个序号，由于序号是连续的，只需要在报头保存第一个字节的序号即可，后续字节的序号都是很容易计算得到的。
应答报文中的确认序号，是按照发送过去的最后一个字节的序号+1，来进行设定的。

如上图，当发送第一条数据：

数据报头的序号就是1，主机B收到了1 - 1000这些字节数据后，反馈一个应答报文，应答报文中的确认序号的值就是1001

此处1001的含义，有两种理解方式：

小于1001的数据，都已经收到了.
发送方接下来要给我发的数据是从1001开始的.

确认应答中，通过应答报文来反馈给发送方，当前的数据正确收到了。应答报文，也叫 ACK 报文，ACK => acknowledge 单词的缩写。

ACK报文也就是TCP报头中六位标志位的第二位。平时该位是0，如果当前报文时应答报文，则这一位就是1.

2. 超时重传

超时重传，可以被视为是确认应答机制的一种补充。

发送方发送数据，如果一切顺利，接收方通过 ACK 标志位就可以告诉发送方，当前数据是否成功收到了。

但是，在某些情况下，1. 如果接收方没有及时发送 ACK 确认，2. 或者数据包丢失（丢包），发送方就无法得知数据是否已成功传输（至于为什么会丢包，这里就不细说了）。这时就需要超时重传来补充确认应答机制。

简单来说：

发送方发了个数据之后，要等待接收来自接收方的ACK确认。
如果等了很久，ACK还没等到，此时发送方就认为数据的传输出现丢包了。
当认为丢包之后，就会把刚才的数据包再传输一次（重传）。
而这个等待的过程有一个时间阈值（定时器），超过等待时间，就是（超时）。

上面的过程，我们认为没收到ACK就是丢包。实际上，超时重传的触发可能不仅是由于数据包丢失导致的，还可能是由于ACK确认丢失导致的。

不论是数据包丢了，还是ACK丢了，从发送方的角度来看，是区分不了的，都是认为ACK没收到。如下图，对比一下这两种情况：

对于ACK丢失而导致的主机B收到很多重复数据这种情况，这里涉及到的内容也很多：

TCP socket 在内核中存在接收缓冲区，对于发送方发来的数据，是要先放到接收缓冲区中的。而应用程序调用读方法读数据的操作，其实是读取接收缓冲区的数据。
当数据到达接收缓冲区的时候，接收方首先会判定当前缓冲区是否已经有，或者有过这个数据了。
如果这个数据已经存在或者存在过，TCP就会直接把重复发来的数据丢弃（去重），这样就能确保应用程序，调用读方法的时候，不会出现重复数据了。

※ 接收缓冲区，除了能进行去重之外，还能够进行排序，对收到的数据按照序号进行排序，确保上层应用程序读到的数据和发送的数据顺序是一致的。

接收方如何判定这个数据是否是"重复数据"?

核心判定依据：前面谈到的数据的序号。

数据还在接收缓冲区，还没被读走。此时，拿着新收到的数据的序号，和缓冲区中所有的数据的序号对一下，看看有没有一样的。有一样的就是重复了，就把这个数据丢弃了。
数据已经不在接收缓冲区，被应用程序读走了。此时，新来的数据序号是无法从接收缓冲区查到的。但是！应用程序读取数据的时候，是按照序号的先后顺序进行读取的。例如，1-1000，1001-2000，2001-3000。一定是先读序号小的，后读序号大的数据。此时， socket api中就可以记录上次读的最后一个字节的序号是多少。比如，上次读到的最后一个字节的序号是3000，新收到的数据的序号是1001，而这个1001一定是之前已经读过了。这个时候同样可以把这个新的数据包判定为“重复数据”直接丢弃了。

上述这些机制，都是TCP内置的，我们在使用TCP的api的时候，不需要考虑这些。但是学习这些能够让我们了解TCP内部做了哪些事情，从而写出更正确的代码。

TCP为了保证较高性能通信，此处的超时重传也不是无限重传，重传过程也是有一定的策略的。