TCP 核心工作机制

TCP 的核心知识：如何保证传输可靠 + 如何提高传输效率

如何保证传输可靠：确认应答机制 + 超时重传机制

如何提高传输效率：滑动窗口机制、流量控制机制、延时应答机制、捎带确认机制、拥塞控制机制

可靠机制

TCP的可靠性主要是通过 确认应答 + 超时重传 来体现的。

1.确认应答机制

先看发送发：在没有滑动窗口机制之前，发送方一次只能发送一段报文，且每次发送完后要等待接收方的ACK确认，只有在收到接收方的ACK确认应答后，才能将发送缓冲区里对应的数据释放掉，并开始发送第二段报文。如果在规定时间内未收到ACK确认，则尝试重传这段报文（超时重传机制）。

再看接收方：接收方每次接收到报文后，都要给发送方返回一个确认应答报文ACK，告知对方已正确接收数据，期望下次收到报文段的起始序列号是ack。

确认应答机制本质上是接收方对发送方报文中的seq进行确认，TCP是字节流传输协议，seq就代表数据，seq被确认就意味着数据被确认。只有确认应答机制 + 超时重传机制才能保证数据传输的可靠性，但数据传输效率比较低（RTT时间越长，传输效率越低）。

2.重传机制

2.1 超时重传机制

TCP超时重传机制是针对确认应答阶段数据丢包的情况，TCP传输过程中，发送方发出的报文可能会丢失，接收方返回给对端的ACK报文也有可能丢失。无论是哪种丢包，发送方在发送完报文后如果在指定时间内（RTO，Retransmission Timeout 超时重传时间）未收到对端返回的ACK报文，就会重传这段报文。当重传次数达到一定量时，如果还是无法收到ACK报文，发送方就会发送RST报文，要求重置连接，如果重置连接都失败那就彻底断开连接。

RTO随RTT动态变化。RTT越小，网络环境越好，RTO也随之变小。

如果超时重传的数据，因再次超时而重传时，超时重传时间将是先前值的两倍。

接收方收到重复的报文怎么办？TCP接收数据时都先将数据写入到接收缓冲区（Receive Buffer），再根据seq对缓冲区数据进行排序，方便应用程序正确有序地读取数据。新接收到的数据在写入缓冲区后，自然也要根据seq排序，这时就很容易判断出这段数据是否重复，如果重复就直接丢弃，这种机制确保了应用层读取到的数据是有序且不重复的。

超时重传存在的问题是，超时周期相对较长。

2.2 快速重传机制

快速重传（Fast Retransmit）机制，本质还是为了提高传输效率，它不以时间为驱动，而是以数据驱动重传，在没有触发超时重传前，就已经触发发送方重传数据了。

TCP为提高传输效率，使用了滑动窗口机制，什么是滑动窗口机制，我们在第4章节会讲到。使用滑动窗口时，发送方短时间内可发出了5条报文

接收方收到seq1报文，返回ack2；
接收方收到seq3报文，未收到seq2，还是返回ack2；
接收方收到seq4和seq5报文，但还未收到seq2，最终还是返回ack2；
发送方收到了3次重复的ack2，表明seq2丢失了，便立即重传丢失的seq2；
接收方收到seq2报文，返回ack6。

快速重传的工作方式是当发送方收到三次冗余的（不含第一次）重复的 ACK 报文时，在RTO生效前，立即重传丢失的报文段，这样就可以有效缩短重传时间。但这里面还存在效率的问题，如果发送方发出了6条或更多条报文，假设 seq2 和 seq3 都丢失了，发送方在收到3次冗余的ack2报文后，此时它首先能肯定的是seq2丢失了，但不确定seq2之后的数据有没有丢失，怎么办呢？只能先把seq2发出去再说，等收到后面的ack后再判读有没有其它数据丢失。假设当前通信网络环境不佳，发送方发送了很多条报文出去，丢包率为10%，发送方如果还是按照上面这种方式重传报文的话，其实效率也没提高多少。为了解决快重传的效率问题，于是就有了选择性确认SACK（Selective Acknowledgment），该参数位于TCP报头的Options，发送方可通过SACK值来判断哪部分数据丢失，有针对性地进行快重传，大大提高了重传效率。

2.3 SACK

选择性确认（SACK，Selective Acknowledgment）用于数据重传机制，位于TCP报头的Options。接收方可通过SACK参数告知发送方我方收到了不连续的数据块（ack=200，SACK=300-400），发送方可根据此信息检查哪部分数据丢失（对方收到200字节数据，接收到了300-400段，说明200-299段丢失了）并重传丢失的数据。

TCP三次握手过程中，双方会通过“SACK Permitted”来互相声明自己是否支持SACK，只有双方都支持SACK时，TCP才会使用SACK。Linux开启SACK的方法如下

#linux系统中可通过修改net.ipv4.tcp_sack来决定是否开启SACK，Linux 2.4后默认开启
[root@reader ~]# sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_sack
net.ipv4.tcp_sack = 1
[root@reader ~]# find / -name *tcp_sack*
/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack
[root@reader ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_sack
1
[root@reader ~]# 可以用echo或sysctl -w 来临时修改tcp_sack
也可以在系统配置文件 /etc/sysctl.conf 中，添加如下一行代码，永久修改 tcp_sack
net.ipv4.tcp_sack = <new_value>

2.4 D-SACK

Duplicate SACK 又称D-SACK，主要是通过SACK来告知发送方有哪些数据被重复接收了。通过D-SACK可让发送方知道是我方发出的报文丢失还是对端返回的ACK报文丢失。如，发送方收到ack= 500，SACK=300-400这样的报文，意味着500之前的数据都接收到了，且重复收到了300-400的数据。

#linux系统中可通过修改net.ipv4.tcp_dsack来决定是否开启SACK，Linux 2.4后默认开启
[root@reader ~]# sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_dsack
net.ipv4.tcp_dsack = 1
[root@reader ~]# find / -name *tcp_dsack*
/proc/sys/net/ipv4/tcp_dsack
[root@reader ~]# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_dsack
1
[root@reader ~]# 可以用echo或sysctl -w 来临时修改tcp_dsack
也可以在系统配置文件 /etc/sysctl.conf 中，添加如下一行代码，永久修改 tcp_dsack
net.ipv4.tcp_dsack= <new_value>