TCP协议如何保证数据可靠性

Posted 2023-03-20

参考技术A

为什么TCP协议是可靠的？TCP协议是怎么保证数据的可靠的？
答：能够保证TCP协议可靠的算法有检验和，连接管理机制，ACK应答机制，快速重传和超时重传机制，滑动窗口机制，拥塞控制机制，这些机制共同保证TCP协议的可靠性。

检验和 ：TCP检验和的计算与UDP一样，在计算时要加上12byte的伪首部，检验范围包括TCP首部及数据部分，但是UDP的检验和字段为可选的，而TCP中是必须有的。计算方法为：在发送方将整个报文段分为多个16位的段，然后将所有段进行反码相加，将结果存放在检验和字段中，接收方用相同的方法进行计算，如最终结果为检验字段所有位是全1则正确（UDP中为0是正确），否则存在错误。可以保证接收方能判断当前报文是否属于自己要接受的报文，如果为0，那就是，不为0，则不是，丢弃此报文。抽象些来说就像是取快递，你的电话姓名和快递上的信息一致，你才能确定这是你的快递，才会去取，不会错拿别人的快递。

序列号 ：TCP 对每个报文进行编号，这些编号就是序列号。而序列号有多种作用
a：保证可靠性，当接收到的数据失序时，就能立马知道
b：去除重复的报文，数据传输过程中的确认应答，重发控制，重复控制等功能都要依靠序列号来实先。
c：提高效率，可以实现多次发送，一次确认。

ACK应答机制 ：发送的每一条消息，都需要对方发送一条消息来回复消息是否被收到。

主要实现是TCP的首部来控制，当ACK =1 时ack才有效，ack等于期望下一个传输过来的序号，也就是上一次接收消息的序号+1。这样就可以保证消息能被确认接收。（三次握手和四次挥手都在用这个机制）

连接管理机制 ：三次握手建立连接与四次挥手断开连接，保证了TCP的全双工工作。

快重传和超时重传：保证了数据能够不丢失的传输数据。（注意：超时重传机制和快重传机制，同时存在。谁先检验到报文失序，谁就生效。）

滑动窗口 ：滑动窗口既提高了报文传输的效率，也避免了发送方发送过多的数据而导致接收方无法正常处理的异常。数据的发送方和接收方都有滑动窗口，对于发送方来说，窗口内就是可以发送的报文，当窗口的前沿紧挨的报文发送并且确认时，窗口向后移动。而窗口的后沿可以向前移动，当接收方处理不了那么多的报文时，就会发送消息告诉发送方，此时滑动窗口就需要缩小，所以后沿前移。但是TCP非常不建议窗口后沿前移。

说到滑动窗口，就不得不梳理一下消息发送的过程中的缓存机制:

发送方和接收方的滑动窗口工作流程：

伴随着效率的提升，也会有问题产生，如果消息没被确认怎么办如图所示，假如31，32，33，34，报文发送了，32，33，34都被确认了，31没被确认怎么办呢？这时就重新发送31，并且31之后的数据报全部重新发送。

在图中我们还会发现窗口的前沿和后沿会移动，窗口前沿和后沿都向后移动，意味着前沿紧挨的报文发送并被确认，而后沿的前移意味着，接收端处理那么多消息，请缩小窗口的大小。
所以解决了发送的数据过多，导致接收端无法正常接收的异常。

拥塞控制 ：拥塞控制使得宏观网络中的资源能够合理的应用。实现的算法有四个， 慢开始，拥塞避免，快速回复，和快速重传 .

1.慢开始指一开始发送报文时，不清楚网络中的情况，试探性的发送1cwnd(拥塞窗口)的数据量。

2.如果没有到ssthresh(慢开始门限值)，则以指数形式增长，一直到门限值；

3.当到达门限值时，此时采用拥塞避免算法让拥塞窗口缓慢增长，即每经过一个RTT（往返时间）就把发送方的拥塞窗口+1，不能是指数性增长了，一直到发生网络拥塞为止。

4.当发生网络拥塞时，把ssthresh的值设置为出现拥塞时发送窗口大小的一半，然后把拥塞窗口设置为1，再次执行慢开始算法。

5.在发送方知道只是丢失了个别的报文段时，采用快恢复算法，将门限值设置成拥塞窗口大小的一半，并将拥塞窗口设置为当前门限值，并执行拥塞避免算法。

6.当发送方一连收到3个对同一个报文段的重复确认时，采用快速重传算法，立即进行重传，这样就不会出现超时，可以使整个网络的吞吐量提高约20%。