TCP 传输控制协议

Posted 2021-10-26 vector6_

TCP 传输控制协议

传输层中最重要的两个协议是TCP和UDP，也是我们接触最多且熟悉的，本文将对TCP协议做一个概括性分析。

TCP与UDP的区别

我们都知道 IP 包是没有任何可靠性保证的，一旦发出去，不论是否丢失都只能随它去。在IP层之上，UDP作为一种简单、高效的协议继承了 IP 包的特性，不保证不丢失，不保证按顺序到达。但是TCP（Transmission Control Protocol, 传输控制协议）作为一种可靠的，面向连接、基于字节流的协议，在可靠通信的实现方面提供了许多有效的机制。

TCP提供的保障可靠传输的机制主要有：把应用程序数据组包成报文段，发送数据时设置超时，确认被其他端点接收到的数据，给次序杂乱的数据进行重新排序，丢弃重复的数据，提供端到端的校验和等。

重传

通信媒介可能会丢失或改变被传递的消息，一个直接处理分组丢失（和比特差错）的方式是重发分组直到它被正确的接收。这需要一种方法来进行判断：

1. 接收方是否已经收到分组
2. 接收方收到的分组是否与之前发送方发送的一样

我们知道TCP使用确认ACK机制，即接收方给发送方发信号以确定自己已经接收到一个分组。最基本的形式是，发送方发送一个分组，然后等待一个ACK；当接收方接收到这个分组时，它发送对应的ACK，当发送方接收到这个ACK，它再发送另一个分组。这个过程就这样继续。这里需要考虑几个问题：1）发送方对一个ACK应该等待多长时间？2）如果ACK丢失了怎么办？3）如果分组被接收到了，但是里面有错怎么办？

正如我们看到的，对于第一个问题，等待多长时间以判定一个分组已丢失并将它重发对性能有很大影响。若这个时间过短会引起不必要的重传，过长的话又会使性能下降。直观上看，发送方在重发一个分组之前应等待的时间大概是几个时间的总和：发送分组所用的时间，接收方处理它和发送一个ACK所用的时间，ACK返回到发送方所用的时间，以及发送方处理ACK所用的时间。TCP协议实现尝试去估计这些时间，即RTT（round-trip-time estimation, 往返时间估计）。根据采样的RTT 进行加权得到重传时间。

对于第二个问题，如果ACK丢失了，发送方可以再次发送原分组，当然接收方可能收到重复的分组，因此必须处理这种重复的情况。对于这种情况，TCP使用序列号来处理，基本上，在被源端发送时，每个唯一的分组都有一个新的序列号，接收方可以使用这个序列号来判断它是否已经见过这个分组，若见过则丢弃它。

对于第三个问题，如果分组中存在错误，可以使用校验和的方式检测分组中的差错；当一个接受方接受到一个含有差错的分组时，它不发送ACK，最后发送方重发完整的无差错的分组。