计算机网络 – TCP 协议原理总结

2021-08-1614:26:28计算机网络技术Comments1,991 views字数 11077阅读模式

本文总结 TCP 协议的原理，包括：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

本文笔记目的，内容较多。 TCP 协议非常复杂，读完本文需要许多耐心。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

网络是不可靠的

计算机网络是不可靠的，存在丢包、乱序、延时。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这是众多 TCP 协议机制的设计出发点，万恶之源，将贯穿全文。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 概念和特点

TCP 协议全称传输控制协议，是一种 面向连接的、可靠的、面向字节流的 传输层通信协议。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 在 TCP/IP 协议模型中位于传输层。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

计算机网络 – TCP 协议原理总结 — 图 1.1 - TCP 位于 TCP/IP 分层中的传输层

TCP/IP 模型中各层数据包结构的关系如下图。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 协议的主要特点：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

面向连接，一对一通信。
可靠交付：保序、不重复、不丢失。
全双工通信：双方均可收发。
和上层应用进程的交互方式是 面向字节流的。

TCP 和上层应用进程的交互方式：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送方可以发送不同大小的数据块到发送缓存。
先会对发送缓存内的数据分段，打包成 TCP 数据包再发送。
在接收一侧，数据包会先进入接收缓存区。
当一定数量的数据包全部到达，重排、组装，以数据流方式吐给接收方。

虽然 TCP 是面向字节流的，但是 TCP 所处理的数据单元却是面向报文段的，也就是本文所说的数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

将看到，短短 可靠交付 四字背后并不简单。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可靠传输的基础机制

若不止考虑 TCP 协议本身的实现，如何设计可靠的网络通信？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

首先，由于丢包的可能性，要实现可靠通信：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送方要知道对方接收成功，因此需要接收方回复确认即 ACK。
如果丢包发生，发送方需要重传。

一种触发重传的方式是，超时重传（也有其他触发方法，见后续 TCP 重传机制）。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

此外，无论往返中哪个包丢失或延迟，发送方认为对方没有收到，就会重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

网络延时发生时，重传可能会导致重复：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收方会丢弃收到的重复数据包，但是仍然回复确认。
发送方会丢弃收到的重复确认包。

其次，对于如何发送确认包和重传包，有两种方式。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一问一答的方式

也叫做停止并等待 ARQ 协议，是指发送方等到接收方的确认包后，再发下一个数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

类似乒乓方式，具体来说：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果时限内收到对方确认，才发送下一个数据包。
否则，重传当前数据包。

可以看到这种方式下，发送方大部分时间在等待，效率非常低。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

流水线传输的方式

叫做连续 ARQ 协议 , 是指发送方会连续发送一组数据包，同时等待这些数据包的确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

具体来说：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送方发送一批数据包。
同步地接收对方的确认包。

简单来说，发送方不闲着，一边发送，一边等回复。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可以看到这种方式相对一问一答的方式，效率要高。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果发生丢包或延时，需要重传，有两种方式：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

回退 N 重传
发送方每发送一个数据包，都会发起一个定时器。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
一旦一个某个定时器触发，就会重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
发送指针回退到未拿到确认的数据包处，以实现重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
图 2.4 - 回退 N 重传的方式
可以看到，此方法下，会重传后面所有的数据包。
选择重传
同样，每发送一个数据包，都会发起一个定时器。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
不同点仅在于，只重传未拿到确认的数据包，不回退发送指针。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
图 2.5 - 选择重传的方式

综合以上，得出的结论是，不考虑 TCP 协议的具体实现的话，要实现可靠的网络通信，需要依赖确认和重传机制，并且一个好的办法是采用流水线传输的方式。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

而流水线传输方式，正是下一个部分 TCP 协议中的滑动窗口机制的引子。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 滑动窗口机制

滑动窗口机制是 TCP 协议的精髓所在，它是 TCP 协议设计的基本框架。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

滑动窗口机制就是流水线传输方式在 TCP 协议中的细化设计，发送方一边连续地发送数据包，一边等待接收方的确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

滑动窗口分为两种：发送窗口和接收窗口。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

由于 TCP 是全双工的，所以通信的每一端都会同时维护两种窗口。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

数据包序号

在可靠传输的基础机制中，接收的数据包可能是重复的、乱序的，因此 TCP 会对每一个数据包进行唯一标号，叫做数据包的序号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

数据包的序号是 TCP 协议头中的一个 32 比特大小的整数字段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

每次发送一个包，这个序号就会增加一。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 是全双工的，两个通信端各自维护自己的序号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

因为网络延时不可控，如果两次连接建立时差很短、或者连接重建后老连接的数据包延迟到达，会造成序号冲突。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以，序号并非由固定数字初始化。可以综合时间、随机数来生成等。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

确认号和累计确认

在 TCP 中，一个用以确认的回复包，会有确认号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果一个数据包同时也是一个确认包，那么它也会有确认号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一个序号为 SEQ 的数据包，其确认包的确认号会是 SEQ+1 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

同样，确认号也是 TCP 协议头中的一个 32 比特大小的整数字段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可以理解为，接收方已收到序号为 SEQ 的数据包，期待发送方下一次给 SEQ+1 的包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

更广义的理解是，确认号是接收方期望对方发送的下一个包的序号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

下图中，发送方连续发送一组包，如果中间有丢包，接收方则期待序号最小的丢失的包。当重传成功后，接收方仍然期待下一个未拿到的数据包：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收方所期待的是序号最小的没拿到的数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这种确认号的机制，即可实现累计确认机制：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收方确认了标号为 SEQ 的数据包，即代表确认了所有小于 SEQ 的数据包，此时接收方给的确认号是 SEQ+1 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

累计确认其实是一种批量确认的机制，以减少确认包的数量。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

此外，如果接收方恰好需要发送数据，确认号可以直接标在数据包上，即捎带确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一个问题是，如何控制累计确认的时机？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 协议中的 Nagle 算法给出的办法是延迟确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其大概的原理是，未确认的包达到一定量、或者达到一个时间阈值，才回复一次确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以说，在默认的 TCP 协议中，确认不是立即回复的，而是延迟的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

不过，接收方的延迟确认不应该过分延迟，否则会造成发送方的重传，浪费网络资源。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可以设置 TCP_NODELAY 选项来禁用 Nagle 算法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 的累计确认机制，是累计确认和延迟确认两个策略的综合。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

此外，TCP 协议还有另外一种确认机制，叫做选择确认机制，将会后面讲到。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送机制

已经讲过，TCP 协议默认的 Nagle 算法采用了延迟确认的方法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

对应的，发送的时机如何确定？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

办法是类似的，大概是，未发送的包达到一定量、或者达到一个时间阈值，才发送一次。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 的发送机制，是累计发送和延迟发送两个策略的综合。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

同样可以设置 TCP_NODELAY 选项来关闭延迟发送的行为。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送窗口

发送窗口的示意图如下，当收到对方的累计确认后，则向右滑动。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

注意的是窗口大小是有限的（稍后将讨论它的受限情况），发送方只能发送窗口内的数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收窗口

接收窗口的示意图如下，当回复对方确认后，则向右滑动。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

仍需注意窗口大小是有限的（稍后将讨论它的受限情况），接收方只能接收窗口内的数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

由于网络数据包是乱序的，所以接收后的数据包会按照序号重新排序，才可以交付给应用程序。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

窗口大小

窗口的大小是受限的，也是动态的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

窗口大小是 TCP 协议头中的一个 16 比特大小的整数字段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

首先，显然接收窗口受限于接收缓存区的大小，发送窗口受限于发送缓存区的大小。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其次指出，发送窗口大小也受限于接收窗口大小。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这其实比较容易理解，发送方是生产者，接收方是消费者，如果生产速度快而消费速度慢，则会导致接收方来不及接收。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以，发送方只能发送窗口内的数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其实，这就是流量控制机制：由接收方控制的、调节发送方生产速度的机制，其具体的实现方式，就是在回复时设置 TCP 协议头中的窗口大小字段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

窗口的大小也是动态变化的，因为两端接收和发送能力是动态变化的：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收能力的变化导致窗口大小的变化，即后面所讲的 TCP 流量控制机制。
发送能力的变化导致窗口大小的变化，即后面所讲的 TCP 拥塞控制机制。

可以看到，滑动窗口的大小是一个贯穿式的重要概念。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

但是，如果窗口要缩小，窗口的前沿是不可以向前收缩的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

窗口收缩的方法则是，慢慢地，随着已发送的数据包得到确认，保持窗口前沿不动，前移窗口后沿。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

因此，发送窗口也并不总和接收窗口一样大。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

窗口大小的初始化，是在连接建立过程中两端协商确定的，在后续的传输阶段，它会因主动或被动的原因而动态变化。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

选择确认机制

和前面所讲的累计确认机制一样，都是 TCP 协议中用来控制如何回复确认包的机制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

因为网络丢包、延时、乱序的不确定性，序号大的包可能先到达。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果仅采用累计确认机制，发送方并不知道大号的包传输成功了，它只会执行回退 N 重传，将后面的所有包重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

下图中，如果接收方的回复包丢失或延迟、或发送方的速率较快，就会导致短时间内多次无效重传。接收方则不得不丢弃重复数据。造成信道资源浪费。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

选择确认机制，简记作 SACK，是指接收方在回复确认包 ACK 的同时，告诉对方已收到数据包的序号区间。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

比如，在回复对方 ACK=10 的时候，同时回复 SACK=20,39 ，这表示接收方已经收到 20~39序号的数据包。发送方只需要重传 10~19 就可以了。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

下图中同样的场景，可以看到开启选择确认机制，可以一定程度上优化无意义的重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果接收方采用了选择确认机制，那么发送方就可以采用前面所讲的选择重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以，选择确认机制是搭配选择重传机制一块使用的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这个机制是可选的，需要两端都支持，在 TCP 连接建立阶段，两端协商确定是否采用此机制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 重传机制

重传机制是 TCP 协议中比较复杂的部分。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其触发方式有两种：超时重传和快速重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其具体实施方式又有两种，前面所讲的回退 N 重传和选择重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

超时重传和超时计算

前面可靠传输的基础机制有讲到超时重传， TCP 协议每发送一个数据包，就对这个数据包设置一次计时器，超时即触发重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

超时重传中的一个问题是：超时的时间是多少呢？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这是 TCP 协议中又一个复杂的问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果超时重传时间设置太短，会引起不必要的重传。
如果设置太长，会使得网络空闲时间增大，降低传输效率。

TCP 采用一种自适应算法，具体地，是一种加权平均的方法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

首先，记录每个数据包发出去后到收到确认包的时间差，叫做往返时间 RTT 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

具体的，假设加权平均后的数据叫做 $T$ ，其计算方式：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

$T_{n} = (1 - α) \times T_{n - 1} + α \times {R T T}_{n}$ 文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其中 $0 \leq α < 0$ 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这个计算式的意思是，一部分权重考虑实时数据，另一部分权重考虑历史沉淀。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可以知道， $α$ 越大，新数据的贡献越大， $T$ 跟随 $R T T$ 的就越快。反之， $α$ 越小，新数据的贡献越小， $T$ 跟随 $R T T$ 的就越慢。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

按这个计算式迭代下去，历史数据的权重会越来越小， $T$ 会跟随实时数据的趋势。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

同时，由于综合了历史数据，又可以消除毛刺。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

快速重传机制

TCP 的另一种重传机制，是快速重传机制，它不再以超时作为触发标准，而是观察确认包的情况。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

具体来说，如果收到同一个数据包的多次确认，立即发起重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一般取 3 次作为阈值，常叫做 3ACK 方法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

快速重传机制的作用在于，将有可能在超时触发之前，提前发起重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

细节地，因为每发送一个数据包，就会对这个包设置一次定时器，所以，快速重传触发后不会造成超时重传的重新触发。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 流量控制机制

前面窗口大小部分已经提及，如果数据发送过快，接收方就会来不及接收。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

流量控制，就是接收方调控对方的发送速度不要太快的机制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送窗口的大小受限于接收窗口，接收方在回复时通过设置 TCP 协议头中的窗口大小字段，来限制发送方的发送窗口大小。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

需要注意的是，流量控制过程是动态的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其原因在于，两端的发送和接收数据的能力是动态变化的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

以接收方为例，哪怕我们假设缓存区的大小未发生变化，上层应用程序读取数据数据的能力也是动态变化的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

比如，接收方应用程序因为负载升高，无法及时读取缓存区数据，导致已回复数据包大量积压，从而挤压接收窗口的大小。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

零窗口死锁问题

一个特殊的场景是，如果接收方的窗口变为 0 ，发送方的窗口也会被限制到 0 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

此时，发送方窗口是 0 ，无法发送新数据包。而接收方在等待数据包到来，也不会回复任何确认包，即使接收方的窗口已经可以变大，也没办法告知对方。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这样，两端都在等待，造成零窗口死锁问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

在 TCP 协议中，打破死锁的方法，是采用持续计时器机制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

具体来说，发送方收到零窗口通知时，启动计时器，当计时器超时，就发送一个仅携带一个字节数据的探测数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如此，接收方就可以回复确认包，如果此时接收方的窗口可以恢复，双方就回到正常轨道。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一个细节是，在发送探测数据包时，持续定时器会重新开始计时。也就是说，发送方会周期性地进行窗口探测，这样可以应对探测数据包丢失的情况。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果接收方拿到探测数据包后，仍坚持零窗口，那么发送方的计时器就重新计时。如此往复一定次数后仍无法恢复，则关闭连接。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

糊涂窗口综合征

糊涂窗口综合征的通俗理解是，双方处理速度不一致，会导致通信演化为小包通信的问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果接收方的处理速度跟不上发送方的生产速度，最终接收方的数据积压在缓存区来不及拿走，接收窗口宣告为 0 ，此时发送方停止发送。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

一旦接收方的应用进程处理了一个字节，接收窗口变为 1 ，发送方就可以发送一个字节。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果发送方总是足够快地填充接收方的窗口，这个过程会不断循环下去，导致每次通信的数据包都只有一个字节，显然降低了通信效率。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

此问题的解决措施有多种，其中包括 Nagle 算法的累计与延迟确认和累计与延迟发送。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

接收方过一定时间或累计一定数量的包后再确认。
发送方过一定时间或累计一定数量的包后再发送。

此外，还有一种关键的措施，就是延迟宣告窗口。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

大概意思是，接收方的窗口稍稍变大时，不要急于告知对方，而是达到一定阈值才告知对方，如此发送方就会等接收方窗口足够大时将数据包一并发送，从而解决小包传输问题。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

或者是，接收方的窗口变的足够小的时候，直接宣告窗口关闭，阻止发送方再发数据。直到接收窗口可以变的足够大，再恢复大包传输。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

下图是延迟宣告窗口的一种推演过程。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

可以看出，窗口探测实际是探测一个足够大的窗口，而不是完全非零的窗口。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 拥塞控制机制

网络拥塞是指，对网络中某种资源的总需求量大于总可用量的情况。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

直接的理解就是，要传输的数据量超过网络负荷。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

在网络拥塞的情况下，TCP 协议的重传机制反而会加剧拥塞情况。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

虽然网络拥塞是一个全局的、宏观的问题，但是 TCP 协议对网络拥塞的缓解措施，是从个体角度出发的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

简而言之，TCP 协议的拥塞控制的办法是，发送方主动减少发送量。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞控制和流量控制是不同的事情：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞控制是发送方主动减少数据传输，解决的宏观网络的超负荷问题的机制。
流量控制是接收方调控发送方数据传输量，以平衡生产消费速度的机制。

网络拥塞的判断

拥塞判断的方法有许多种，这里主要说明两种。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

这两种就是 TCP 协议中重传机制的两种触发方式。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

超时标准
前面超时重传和超时计算部分有讲， TCP 协议每发送一个数据包，就会对它设置一次计时器。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
当超时发生时，意味着数据包丢失、或延迟，此时网络可能发生拥塞。
3ACK 标准
前面快速重传机制部分有讲，如果收到同一个数据包的多次确认，意味着数据包丢失、或延迟，此时网络可能发生拥塞。

拥塞窗口算法

TCP 协议仍然基于滑动窗口的机制，进行拥塞控制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

发送方会维护一个拥塞窗口 CWND ，此窗口范围内的数据才允许被发送。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

因此实际的发送窗口的大小是：Min(对方接收窗口大小，自身拥塞窗口大小) 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞窗口算法就是如何调整拥塞窗口大小的办法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

它主要有四个策略：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

虽然有四个策略，但是它们其实是一套算法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

首先，「快重传」就是前面所讲的快速重传，也就是说，如果遭遇 3ACK ，就立即发起重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

慢开始

发送方每收到一个对新数据包（就是不包括重传包）的确认，就让拥塞窗口增一。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

虽然叫做慢开始，但是其实并不慢，拥塞窗口是倍增的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

简而言之，如果没有遭遇超时或 3ACK，拥塞窗口就扩大一倍。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞避免

慢开始的增长速度是非常快的，发送量越大，就离拥塞越近。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以有一个门限值 ssthresh 的概念。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞窗口倍增到门限值后，就改为线性增长，比如每次增大一。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其后，线性增大拥塞窗口的过程，就是拥塞避免阶段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

慢开始和拥塞避免，都是在探测拥塞边缘：一开始疯狂试探，到达门限值后，慢慢试探。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

拥塞控制的惩罚

如果出现拥塞的征兆，拥塞窗口的大小会受到惩罚，让它减小。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

超时条件
超时未确认，意味着发生丢包或者较大延迟，所以处罚更为严厉。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
拥塞窗口打回初始值 1 ，门限值改为当前拥塞窗口大小的一半。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
总而言之，从新进入慢启动。
3ACK 条件
收到 3 个相同的确认包，意味着发生少许延迟，所以处罚相对柔和。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
同样，慢启动的门限值减半。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
不同的是，此时不必要从新进入慢启动，而是减少一些拥塞窗口的值，跳过慢启动，直接重新进入拥塞避免阶段。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
减少到多少呢？减少到最新门限值大小，也就是从新进入拥塞避免。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
这种直接跳过慢启动，直接进入拥塞避免的方式，就叫做快恢复。

拥塞控制算法总览

总结如下：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

慢开始阶段，倍增到门限值，激进探测拥塞边缘。
到达门限值，进入拥塞避免，线性增加，小心探测拥塞边缘。
遭遇超时，惩罚严厉，从新进入慢开始。
遭遇 3ACK，惩罚柔和，快恢复，门限减半，直接进入拥塞避免。
同时，3ACK 时，立即重传，即快重传。

TCP 连接建立和释放

TCP 的三次握手和四次握手，已经是老生常谈了。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

连接建立 - 三次握手

首先，TCP 连接建立过程要解决的问题：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

确定双方都可以正常收发 TCP 数据包。
双方协商一些参数和可选项（例如前面所讲的选择确认、窗口大小等），尤其是交换初始序号。
对资源进行分配，比如缓存区、端口号。

下面是 TCP 协议三次握手建立连接的过程示意图，其中文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

SYN（synchronous）是同步标志位，表示开始传输数据的意思。
ACK（acknowledgement）是确认标志位，表示是否启用确认机制。
ack（小写）是前面所说的确认号。
seq 是前面所说的序号。

具体过程的描述如下：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

客户端发送一个 TCP 数据包，主动发起连接。
设置 SYN=1 标志位，表示发起连接，想要传输数据。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
客户端初始化自己的数据包序号 seq=x ，一同发送给对方。
服务端收到对方的连接请求，回复对方确认包。
设置回复标志位 ACK=1 ，表示确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
根据确认号的规则，同时设 ack=x+1 表示期待对方下一次发过来的数据包序号为 x+1。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
因为 TCP 是全双工的，服务端也会设置 SYN=1 ，并初始化自己的数据包序号 seq=y ，捎带回复给客户端。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
此时，服务端可以确定：客户端可以发送 TCP 数据包，自身可以接收 TCP 数据包。
客户端收到对方的确认包，并回复对方确认。
同样，设置回复标志位 ACK=1，表示确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
对方的序号是 y ，回复对方 ack=y+1 表示期待对方下一次发来的数据包序号为 y+1 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
同时，自身的数据包序号需要自增 seq=x+1 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
自己发送上一个数据包，对方收到了，并且收到了对方回复。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
所以客户端可以确定：服务端可以正常收发 TCP 数据包，自身也可以正常收发 TCP 数据包。
服务端收到客户端的确认，三次握手结束。
此时服务端可以进一步确定：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
客户端端可以正常接收 TCP 数据包，自身也可以正常发送 TCP 数据包。

三次握手结束后，双方都可以确定对方是可以正常收发 TCP 数据的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

三次握手的必要性

一个经常出现的问题是：两次握手可以吗？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

当然是不可以的，可以分几个方面解释：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

三次握手是为了确定双方的收发能力
如果缺少最后一次 ACK 的话，服务端就无法知道客户端是否可以接收 TCP 数据，也无法知道自己的发送是否成功，就无法做到可靠传输。
序号同步的确定性
如果缺少最后一次 ACK 的话，服务端就无法确定对方有无收到自己的初始序号。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
前面讲到，数据包的序号是 TCP 滑动窗口机制的基本字段，它如果是不可靠的，后续的确认机制、重传机制等都无从谈起。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
网络是不可靠的，存在丢包，所以连接建立时，双方都必须确定初始序号交到了对方手中。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
三次握手过程，也是可靠地交换初始序号的过程。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
图 7.3 - 三次握手也是可靠地交换初始序号的过程
历史失效连接请求的乱序问题
网络中，数据传输可能存在延迟、乱序。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
如果一个老的失效的连接请求，延迟到达服务端，倘若缺少第三次握手，服务端会建立一条新连接，直接进入 ESTABLISHED 状态。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
客户端收到服务端的回复包时，可以根据序号是否过期判断是否是失效连接。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
在三次握手的情况下，客户端就进一步可以发送 RST 标志，终止连接。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
如果不是历史失效连接，客户端则发送 ACK 标志，正常建立连接。

三次握手中丢包的情况

另一个常见的问题是：如果第三次 ACK 丢包呢？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

无论哪一次通信发生丢包或延迟，都出发 TCP 的重传机制。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

简单说，再发一次，如果达到一定次数，则放弃连接。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

对于第三次 ACK 丢包的情况，重试一定次数后，服务端会关闭连接，回收资源。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

不过，服务端单方面关闭连接，客户端并不知晓，它认为连接已经建立。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果客户端向服务端发送数据，会被服务端打回 RST 报文，借此客户端可知道连接失效。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

数据传输的开始时机

上面的三次握手图示中，一个细节是：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

客户端在两次握手之后就进入了 ESTABLISHED 状态。
服务端则是在三次握手之后才进入 ESTABLISHED 状态。

其原因在于，在第二次握手后，客户端已经可以确定双方都可以正常收发数据包。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

所以，客户端可以提前进入 ESTABLISHED 状态，分配端口，开始通信。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

因此，第三次 ACK 是可以捎带客户端的数据一并发送的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

服务端直到第三次握手成功之后，才可以确定双方都正常，所以它会稍晚进入 ESTABLISHED。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

连接关闭 - 四次挥手

TCP 的连接释放过程，需要注意两个点：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 是全双工的。
双方都可以主动释放连接。

释放连接的过程有一个重要的目的：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

双方都要确定地知道对方不再发送数据了，连接才正式关闭。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

假设客户端主动关闭，下面是 TCP 协议四次挥手释放连接的过程示意图。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

其中 FIN（finish）是结束数据传输的标志位。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

具体过程的描述如下：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

客户端发送 FIN 数据包，不再发送数据。
设置 FIN=1 标志位，表示想要关闭连接，不再发送数据。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
但是，此时服务端还可以继续发送数据。
服务端收到 FIN 数据包，回复确认 。
服务端对于 FIN 包也会进行确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
此时服务端明确知道，客户端不再发送数据了。
服务端传输完剩余数据 。
由于 TCP 是全双工的，连接关闭由客户端主动发起，并不意味着服务端的数据已传输完。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
服务端需要把剩余数据传输完毕。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
此时服务端知道，双方都不再发送数据了。。
服务端发送 FIN 数据包，不再发送数据包 。
同样，设置 FIN=1 标志位，表示服务端不再发送数据。
客户端收到对方 FIN 包后，回复确认 。
任何一方结束数据发送，都要确保对方是知道的，就需要对方确认。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
此时客户端知道，双方都不再发送数据了。
客户端等待 2MSL 时间等待后，四次挥手结束，释放所有资源

再次明确， FIN 标志位的意思是，不再发送数据。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

挥手四次的必要性

双方都必须对 FIN 包做确认，这样对方才可以确定地知道自己不再发送数据。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 连接的建立需要三次握手，是因为，第二次握手过程服务端将设置 SYN 和 ACK 合并为一个数据包发送，所以是三次。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

而对于释放连接的情况，无法将第二次和第三次合并，因为中间还要传输数据，所以是四次。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果任何一个确认包发生丢包或延迟，主动设置 FIN 的一方会触发重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

等待 2MSL 时间的原因

首先，MSL 是指报文在网络中最大生存时间。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

2MSL 就是两倍的 MSL ，也被叫做 TIME_WAIT 时间，在 linux 中常被设置为 2*60s 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

2MSL 的值一定需要大于重传超时阈值。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

为何要等待这么长时间呢？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

如果最后一次 ACK 丢包呢？
前面有说过，任何一方的 FIN 包丢失后，如果超时未收到对方确认，就会触发重传。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
图 7.5 - 最后一次 ACK 丢失，会导致服务端重传 FIN 包
如果客户端在一定时间内未收到服务端的 FIN 包重传，说明对方已经收到 ACK 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
否则，如果收到服务端的 FIN 包重传，自然回复 ACK。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
一次 ACK 包的发送时间，再算上重传 FIN 的时间，所以叫做 2MSL 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
不过，无论如何，2MSL 时间至少要比重传超时阈值长。
防止新老连接数据包混乱
如果立即释放端口资源，此端口可能被一个新连接立即使用。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
如此的话，假设网络中存在老数据包的延迟，那么老数据包会被新连接接收，造成混乱。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
所以，等待一定时间，使得网络中潜在的、可能延迟传输的数据包悉数殆尽，才不会影响到后面的连接。

综合来看，还是因为网络是不可靠的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TCP 连接的有限状态机

综合连接建立和连接关闭的过程，整个 TCP 连接的状态机图示如下。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

两个常见的问题:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html

TIME_WAIT 非常多的情况
已经知道，TIME_WAIT 是主动关闭连接一方，发送完最后一次 ACK 数据包后进入的状态。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
并且 TIME_WAIT 的时间默认是 120s 。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
TIME_WAIT 非常多，说明连接建立的并发数比较大，端口来不及回收。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
比如，对于高并发的 TCP 短连接，例如未开启 keep-alive 选项的 HTTP 短连接。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
补充，HTTP 协议中是服务端主动关闭连接。
CLOSE_WAIT 非常多的情况
已经知道，CLOSE_WAIT 是被动关闭连接的一方，传输最后的剩余数据的状态。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
它是当服务端收到对方 FIN 包时，主动进入的一个状态。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
所以，一般地，是由于应用程序未调用或太忙未来得及调用 close 关闭连接导致。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/wangluo/21931.html
比如程序编写遗忘连接关闭调用代码，或者负载过高，未及时执行关闭连接，导致 CLOSE_WAIT 状态的 socket 积压。