TCP可靠性机制详解：排序、确认、重传与流量控制

TCP可靠性机制详解：排序、确认、重传与流量控制

TCP（传输控制协议）是互联网中最重要的协议之一，它提供了可靠的数据传输服务。本文将深入探讨TCP的可靠性机制，包括排序机制、确认机制、重传机制和流量控制机制，帮助读者更好地理解TCP协议的工作原理。

TCP的可靠性

1. 排序机制

TCP保证数据按顺序到达接收端。由于数据在网络中可能会通过不同的路径传输，因此不同的数据包可能会到达接收端的顺序不一致。排序机制的作用是确保数据按发送的顺序被正确接收。

具体实现：

• 每个数据段都有序列号：每个TCP数据段（Segment）都包含一个序列号，这个序列号标识该数据段在整个数据流中的位置。接收方通过序列号来判断数据包的顺序。
• 接收方按序列号重组数据：接收方会根据序列号对收到的数据进行排序。如果接收到的数据包的顺序与预期不符，接收方会将其缓存在接收缓冲区，等待缺失的包到达。接收方只会将按顺序到达的数据交给上层应用。

如果接收方发现某个数据包的序列号不对或者缺失，它会将该信息反馈给发送方（通过确认机制），发送方会进行相应的重传。

2. 确认机制和重传机制

2.1. 重传机制

TCP的重传机制是保证数据丢失情况下能够成功传输的关键。由于网络中可能会出现数据丢失、错误或延迟，TCP需要提供一种机制来检测丢失的包并重新发送。

具体实现：

• 超时重传：如果发送方在一个预定的时间内没有收到接收方的确认（ACK），它会认为该数据包丢失或出现了其他错误，随后会重传该数据包。这个超时是由发送方的“重传计时器”控制的。若在计时器超时之前收到确认，则不进行重传。
  超时重传的时间间隔是动态调整的，通常采用“加倍间隔”的策略，即每次超时后，重传间隔会增加，直到成功接收到确认。TCP使用一种叫做自适应重传算法（例如：TCP的慢启动、拥塞控制）来优化超时重传的时间。
• 快速重传：如果接收方发现丢失的包（通过序列号的跳跃）并且收到的连续数据包中有重复的确认号，它会发送多个重复确认（重复ACK）。当发送方收到三个重复确认时，它会立刻重传丢失的数据包，而无需等待重传计时器超时。这种机制被称为快速重传，它能够减少数据包丢失后等待的时间，提高效率。
  在快速重传机制中，并不是因为RTO时间到达从而触发重传机制，该重传机制是根据对端的反馈信息进行重传，当连续3三收到相同的ACK报文时，发送端会重传数据。这3个连续的ACK报文被称为冗余ACK。
• 快速恢复：与快速重传结合使用，快速恢复机制用于在发生丢包时，通过减小拥塞窗口（窗口大小）来快速调整TCP连接的拥塞控制状态，以恢复到正常的传输状态。快速恢复机制一般通过调整TCP的拥塞控制算法来实现，如慢启动与拥塞避免等。

2.2. 确认机制

TCP使用确认机制（Acknowledgment）来确保数据的可靠传输。每当接收方收到数据包时，它会发送一个确认消息，告诉发送方该数据包已经成功接收。

具体实现：

• 确认号（Acknowledgment Number）：接收方在返回的TCP包中会包含一个确认号，这个确认号表示接收方期望接收的下一个字节的序列号。也就是说，确认号是“下一个期望字节”的序列号，确认号表示前面所有数据已经成功接收。
  例如，如果接收方已经成功接收到序列号为1000到2000的数据，它会向发送方发送一个确认号2001，表示它已经成功接收了序列号小于2001的数据。
• 累积确认：TCP的确认机制是累积确认的，意味着如果接收方确认了某个序列号（比如2001），它也隐含地表示所有之前序列号的数据包都已成功接收。接收方不会为每个数据段单独发送确认，而是按照序列号的累积情况发送一个确认号。
• 延迟确认：为了提高网络效率，接收方可能会延迟确认，即在短时间内合并多个数据包的确认，减少网络负载。这也使得发送方不会因为过早的确认而频繁发送数据包。

注意：选择确认机制也是需要进行协商的。

3. 流量控制机制

3.1流量控制的背景

• 在网络通信中，接收方的缓冲区容量是有限的。如果发送方的数据流速过快，而接收方来不及处理这些数据，接收方的缓冲区可能会被填满，进而导致数据丢失或者需要丢弃多余的数据。因此，必须有一种机制来控制发送方的发送速率，确保接收方的缓冲区不会被溢出。
• TCP的流量控制是端到端的机制，通过在发送方和接收方之间动态调整窗口大小，来避免过多的数据被发送到接收方，直到接收方有足够的空间来存储和处理这些数据。

3.2.流量控制的核心概念：滑动窗口（Sliding Window）

TCP流量控制的机制基于滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）。这个协议用于动态控制数据的传输速率，确保发送方不会超出接收方的缓冲区容量。

滑动窗口的工作原理：

• 接收窗口（Receiver Window）：接收方的接收窗口（也叫窗口大小）是接收方的可用缓冲区大小，它告诉发送方当前接收方可以接收多少数据。接收方在发送ACK报文时，会告诉发送方它的接收窗口的大小。接收方的接收窗口大小会随着它处理数据的进度而变化。
• 发送方窗口：发送方基于接收方的窗口大小来调整自己的发送速率。发送方窗口的大小不能超过接收方报告的接收窗口的大小，也不能超过发送方的缓冲区大小。
• 滑动窗口的动态变化：随着接收方处理数据并释放缓冲区空间，接收方的接收窗口会增大，发送方可以继续发送更多的数据。如果接收方的接收窗口变小，发送方则必须减少发送的数据量，直到接收方有足够的空间可以接收更多的数据。

3.3窗口大小体现在缓存区的大小

• TCP要求发送方依据接收窗口rwnd来控制数据的发送量。rwnd等于接收方接收缓存大小减去已存数据量大小。即rwnd变量是可变的。
• 如下图所示：

TCP发送方窗口队列图

1. 发送窗口的概念

• 发送窗口：是指发送方在没有收到确认的情况下，可以连续发送的数据量。它由一个左边界和一个右边界界定，表示一个字节序列的范围。
• 左边界（left edge）：表示已经发送并被确认的数据的最右边界。
• 右边界（right edge）：表示发送窗口的最右边界，即发送方可以发送的数据的最大序列号。

2. 缓存区与发送窗口的关系

• 缓存区：在 TCP 中，发送方和接收方都有缓存区。发送方的缓存区用于存储待发送的数据，而接收方的缓存区用于存储接收到的数据。
• 发送窗口大小：直接反映了发送方缓存区中可以用来存储待发送数据的大小。

TCP发送方窗口队列图

3. 图片中的示例

• 窗口大小：图中显示的发送窗口大小为 20 字节。这意味着发送方在没有收到确认的情况下，可以连续发送 20 字节的数据。
• 缓存区的划分
• 已发送已确认的数据（#1）：在左边界左侧，表示已经发送并且被接收方确认的数据。这些数据已经从发送方的缓存区中移除。
• ** 已发送但未确认的数据（#2）：在左边界和右边界之间的蓝色区域，表示已经发送但尚未收到接收方确认的数据。这些数据仍然在发送方的缓存区中。
• 即将发送的数据（#3）：在右边界左侧的绿色区域，表示可以立即发送的数据。这些数据在发送方的缓存区中等待发送。
• 未发送数据（#4）：在右边界右侧的黄色区域，表示由于接收方没有足够的缓存空间，不能发送的数据。这些数据在发送方的缓存区中等待发送机会。

TCP发送方窗口队列图

4. 缓存区大小的体现

• 已用窗口（used window）：图中显示为 14 字节，表示已经发送但尚未确认的数据（#2）加上即将发送的数据（#3）。
• 未用窗口（unused window）：图中显示为 6 字节，表示由于接收方没有足够的缓存空间，不能发送的数据（#4）。

TCP发送方窗口队列图

5. 窗口移动

• 当发送方收到接收方的确认时，左边界会向右移动，表示已经确认的数据从缓存区中移除。
• 当接收方的缓存空间增加时，右边界会向右移动，表示发送方可以发送更多的数据。