TCP 可靠吗？为什么？

Posted 2022-08-08 格格巫 MMQ!!

相比于 UDP 来说，TCP 的主要特性是三个：有连接、可靠、面向数据流。所谓的“有连接”指的是 TCP 中的连接管理机制，也就是著名的三次握手和四次挥手，就像打电话一样，想要正常的交流，必须先和对方建立起连接，这就是所谓的“有连接”，而面向数据流的机制咱们以后再讲，我们今天要讨论的主题是：TCP 是如何保证可靠性的？
TCP 之所以能保证可靠性，主要是通过以下 6 个手段：

校验和
确认应答
超时重传
流量控制
拥塞控制
丢弃重复数据
接下来，我们详细来看这几种手段的具体实现。

1.校验和
TCP 协议的数据格式如下图所示：

从上图可以看出“校验和”是保存在 TCP 首部中的一个数据，TCP 的发送端和接收端会采用相同的算法，根据发送的数据计算出一个 16 位的校验和，并且校验和会连同数据一起发送给接收端。
接收端在得到数据之后，会根据接收的数据生成一个新的校验和，然后用新的校验和与传递过来的校验和做对比，如果校验和相同，那么说明数据在传递过程中没有发生任何改变，是一个有效的数据，反之则为无效数据，舍弃即可。

校验和基本算法
TCP/UDP/IP 等协议的校验和算法都是相同的，采用的都是将数据流视为 16 位整数流进行重复叠加计算。为了计算检验和，首先把检验和字段置为 0，然后，对有效数据范围内中每个 16 位进行二进制反码求和，结果存在检验和字段中，如果数据长度为奇数则补一字节 0。当收到数据后，同样对有效数据范围中每个 16 位数进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全 0 或全 1(具体看实现了,本质一样) 。如果结果不是全 0 或全 1，那么表示数据错误。

2.确认应答
确认应答机制是保证消息传递可靠性的关键手段，也是几乎所有消息中间件（MQ）中，最常用的技术之一，比如主流的消息中间件 RabbitMQ、Kafka、RocketMQ 中都有确认应答机制，也就是我们常说的 ACK（ACKnowledge Character，确认字符）。
确认应答机制是 TCP 中，保证消息可靠性的核心机制。怎么才能确认你发的消息对方一定收到了呢？最有效的手段无疑是对方告诉你，它已经收到了，这就是确认应答。
确认应答的流程如下图所示：

3.超时重传
消息在确认应答的过程中可能会出现两个问题：第一，消息在发送的时候丢失了，第二，消息在确认应答时丢失了，如下图所示：

显然，即使有了确认应答机制也保证不了消息不丢失，那怎么办呢？
消息丢了没关系，发送端在确认了消息丢失之后，再补偿一个同样的消息给接收端不就解决了？这就是超时重传机制。

巧妙的超时重传机制
TCP 的超时重传机制在设计上也非常巧妙，它为了保证消息在任何环境中，都能高效的通讯，所以 TCP 采用的是“动态时间”的超时重传机制。
比如第一次如果消息丢了，那么发送端会在 500ms 之后再发送一个消息，如果发送的第二个消息也丢了，那么发送端会在 1000ms 之后再发送一个消息，如果第三个消息也丢了，那么它会在 2000ms 之后再发送一个消息，如果累计了一定的次数，消息还没有成功的发送，那么 TCP 会认为对方主机存在异常，会强制关闭连接，这就是 TCP 超时重传的主要执行流程。

4.流量控制
接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，那么就会导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
因此 TCP 会根据接收端的处理情况，动态调整发送数据的大小，这个机制就叫流量控制（Flow Control）。

5.拥塞控制
拥塞控制指的是 TCP 会根据当前网络的情况，动态的控制发送数据的多少，以适合的速度来传递数据。
想象一下，如果 TCP 在不清楚网络情况的环境下，贸然的发送大量的数据给接收端，这样就会导致更多的丢包及超时重传，从而引起一系列的连锁反应，导致数据传递变慢。
而 TCP 采取的是“慢启动”机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据，这就是拥塞控制机制。
如果传递的数据多了，出现了大量的丢包，那么 TCP 会将发送的数据量调小，然后再尝试慢慢的增加发送的数据量，通过这种动态发送数据包的形式，来实现适合当前网速的数据传递，这就是 TCP 拥塞控制的具体实现。

6.丢弃重复数据
通过前面的知识我们知道，在确认应答时，由于确认应答消息的丢失，那么接收方可能会收到发送方的重复数据，如下图所示：

而此时对于业务方来说，只需要一个数据就可以了，所以 TCP 还有一个机制，丢弃重复数据的机制，这样就能保证业务方接收到的数据是正确的了。
TCP 会给每一个发送的包上加上一个编号，如果接收到了编号相同的数据包，那么就说明接收端得到了重复的包，丢弃即可。

总结
TCP 保证可靠性的主要手段有 6 个：校验和、确认应答、超时重传、流量控制、拥塞控制、丢弃重复数据。其中流量控制和拥塞控制很容易搞混，我们要清楚的知道，流量控制是针对接收端接收能力的控制机制，而拥塞控制是针对当前网络的控制机制，所以千万不要搞混了。