为什么说TCP协议是可靠的

Posted 2021-03-24 hellogreen

问题背景

• 日常面试时，几乎所有学过计算机的都知道，TCP协议是可靠的，UDP协议不可靠的。为什么TCP协议是可靠的？它用什么机制保证可靠呢？

提出问题

1. 由于IP 数据包的 MTU 有长度限制， TCP报文段过大时，需要切割。切割之后发送出去，由于网络链路的不确定性，接收端接收到包的次序和发送次序很大概率是不一致的。接收端如何把接收到的“同一批”TCP报文段数据拼接成预期的二进制数据？
2. 发送方发送了一个TCP报文，怎么样确认接收方接收到了这个报文？
3. 发送方发送了一个TCP报文，接收端如何保证接收到的报文段的数据没有在途中被“其他人”篡改？

TCP协议的初级解决方案

1. 采用序列号标识一个TCP报文
   • TCP报文段头部的，有一个字段是序列号(Sequence)
     
   • 接收端可以使用sequence对不同的TCP报文进行排序和拼接
2. 初级解决方案: ACK机制+确认号
   • 接收方接收到序号为seq的TCP报文之后，期望接收到序列号为seq+1的TCP报文，确认号会填充seq+1
     
   • ACK位会置为1，表示确认接收到TCP报文
   • 超时未接收到ACK的情况下，发送端默认认为TCP报文段丢失，再次重发
3. TCP报文头部字段检验和，检验报文段数据的checksum是否和接收到实际的报文段数据的checksum一致。不一致则丢弃
   

初级解决方案的问题

对于问题2的初级解决方案：存在两个问题
1.效率低的问题。
发送方保持发送 -> 等待ACK -> 发送 -> 等待ACK…的单线工作方式，这样的工作方式叫做 stop-and-wait。stop-and-wait 虽然实现了 TCP 通信的可靠性，但同时牺牲了网络通信的效率。同时，在等待ACK的时间段内，网络都处于闲置(idle)状态

2.有点小缺陷
如果当前的TCP报文段一直没有被确认，会导致后续的片段无法发送出去。

TCP协议的优化方案

• 滑动窗口机制
  • 不展开，可查看参考链接中的图片序列，非常详细
  • TCP报文段首部带有一个窗口
    
  • 接收端减少了 ACK 回复所消耗的流量，因为采用的是累计 ACK 回复
  • 发送端在大多数情况下不会因为单个TCP报文段没有接收到ACK而被阻塞继续发送
  • seq和确认号的一个细节
    • 接收到接收到序列号为seq的TCP报文之后，发送的ACK报文的确认号不一定是seq+1，可能是seq+n(n-1是接收到序列号为seq的TCP报文段之前已经接收到的TCP报文段的个数)

总结

• TCP协议可靠使用以下机制来保证
  • TCP报文段首部sequence字段唯一标识TCP报文段，也作为顺序的标识
  • TCP通信采用ACK+确认号的确认机制
  • TCP报文首部的checksum字段记录报文段数据的checksum
• TCP协议的优化
  • 采用滑动窗口机制，提升通信效率

参考资料

• 为什么说 TCP 协议是可靠的？