TCP（一）

前言

TCP协议是传输层的重要协议，TCP协议保证将数据包完整、可靠地送达对端，是网络中最重要的协议之一，本文我们结合TCP的首部格式来了解TCP。

TCP的首部格式

TCP首部包括20bytes的固定字段和64bytes的可选字段（如下图），16位的源端口号和目的端口号是传输层的基本要求，下面我们通过这些字段来理解TCP的机制。

应答

TCP为每个数据包添加自增的32位序列号，在接收到数据包时，TCP也需要根据包的序列号向对端发送应答，使用client-server模型，可以通过下图来表达这个过程，其中序列号使用seq来表示，应答序号使用ack来表示。

当然，在实际的网络通信过程中，有很多包在收发，ack应答通常和数据包一起发送，提高发送效率，因此这个通信过程应该是这样：

从上图可以发现规律：每个ack的值就是收到的上一个数据包的seq+1，而seq的值就是上一个数据包的ack值，不妨这样理解：数据包ack的值就是希望收到的下一个包的序列号，因此当确定包的seq值时，就看上一个包希望收到的包是哪个序号的包；当确定包的ack值时，就看现在收到了那些连续的序列号，将缺失的最小的序列号作为ack值。

超时重传

由于IP层协议是不保证可靠的，因此TCP接收到的数据包经常会遇到丢包的情况，此时将不会收到对端发送的对应的ack包，当超过一定时间，TCP认为这个包在网络中丢失了，将重传这个包。

超时重传存在的问题是如何计算定时器计时的时间，超时重传时间被称为RTO，RTO是基于RTT来计算的，而RTT指的是数据包在从发送到接收到该数据包对应的确认包所需的时间。

RTO的计算过程如下：

1. 通过下面的公式计算SRTT：
   
2. 计算SRTT金额RTT的差值：
   
3. 计算RTO：
   

目前在linux下，α=0.125, β=0.25, u=1,a=4。
在网络通信过程中，一个数据包传送完后，等待该数据包的应答到达以后再传输下一个包需要RTT时间，这时间内通常会继续发送数据包以提高发送效率，而对端在发送应答时，如果已经接收到了多个连续的数据包，则可以多个数据包一起应答，如下图：

在上图中，如果seq=x+2的包丢失了，那么将发生下面的情况：

无论后续接收到的包序号是多少，只要缺少了seq为x+2的数据，server每收到一个seq>x+2的包，就发送一次ack=x+2，至于后续收到的seq=x+3和x+4的包，可能被直接丢弃，也可能放在缓存中，等待接收seq=x+2的数据包后发送ack=x+5的包。

拥塞控制

慢启动和拥塞避免

TCP在三次握手时，会确定慢启动门限的值ssthresh和拥塞窗口的值cwnd，在刚启动时cwnd的值为1，发送方每收到一个新报文的确认，就将cwnd的值翻倍，当cwnd的值不小于ssthresh时，为了避免网络的压力太大，将进入拥塞避免状态，即每收到一个新报文的确认，就将cwnd的值线性增加，直到遇到网络拥塞。

快速重传和快速恢复

在讨论超时重传时，我们看到当丢失一个包时，对端将一直重传相同的ack，当在一个RTO时间内接收到了三个相同的冗余ack包，TCP将启动快速重传，直接重传这个ack请求的数据包，而不等待超时重传，这样做的有点也就是避免超时重传等待时间的消耗。注意这里是接收到三个冗余ack，也就是一共接收到四个相同的ack。触发超时重传后，TCP连接将进入快速恢复状态。
TCP目前使用的快速恢复算法是reno算法，reno算法使进入快速恢复状态将ssthread变为之前的一半，然后线性继续线性增加。
假设ssthresh被初始化为20，那么cwnd可能的变化情况如下：

勘误:根据《计算机网络-自顶向下方法》的描述，遇到网络拥塞时，reno算法将ssthread变为当前拥塞窗口（cwnd）的一半，而cwnd变为ssthread+3，上图画的有些错误。

滑动窗口

TCP首部中包含16bit的滑动窗口，这指示了当前缓冲区可以接纳多大容量的数据，对端将根据这个窗口大小发送相应大小的数据包。
应用程序调用send()发送tcp报文时，报文并不会立马被发到对端，这是因为tcp是一种流式协议，当程序调用send()，报文会被加入到内核中的缓冲区中，内核会将缓冲区中的数据按照滑动窗口的大小发送到对端，对端接收到数据以后，先存入内核缓冲区中，再提交到应用程序。

随着数据的发送与接收，缓冲区的大小在不停的变化，因此通过窗口大小字段控制两端传输数据量，这种发送次数与接收次数不相等的传输协议称为流式协议。
滑动窗口和拥塞窗口都是控制流量的方法，但滑动窗口考虑的是传输两端的窗口大小，而拥塞控制考虑的是网络传输路径上的拥塞情况，实际TCP通常取滑动窗口和拥塞窗口中较小的作为发送窗口的大小。

校验值和紧急数据

TCP首部字段还包括16位校验值，校验值由发送端根据TCP首部和数据计算，接收端接收后，可以根据校验值计算数据包与发送时是否一致，如果不一致则直接丢弃数据包。
16位紧急指针用于指示紧急数据在字节流中的位置，在数据传输的过程中，由于缓冲区的存在，数据不会马上被发送，接收端也不会马上传递给应用层，当有数据希望被立刻传输时，可以使用TCP发送带外数据。
当发送带外数据时，需要标识出数据在字节流中的位置，这通过紧急指针来计算：
带外数据字节号 = TCP报文序号 + 紧急指针 - 1

标志位

TCP首部字段中还包括6个标志位，标志位的作用是标识对应的字段有效。

• URG标志位为1时，表明紧急指针有效，此时根据紧急指针可以找到带外数据；
• ACK标志位为1时，表明确认号有效，此时32位确认号标识下一个希望收到包的序号；
• PSH标志位标识接收到当前报文后PUSH到应用进程，例如当发送的包大小为4096bytes时，假设被拆分成四个包发送，最后一个包带上PSH标识，则对端接收到最后一个包时上应用层递交缓冲区数据；
• RST标志位为复位标识，当TCP连接出现异常，如一端关闭时，关闭的一端会向对端发送一个RST复位报文；
• SYN标志位标识这个报文是握手报文；
• FIN标志为标识这个报文是挥手报文。

总结

本文介绍了TCP固定首部字段，并通过这些字段介绍了TCP的特性，TCP正是通过这些特性来保证将数据可靠地送达对端，下篇文章将介绍TCP经典的三次握手和四次挥手相关的知识。