想进大厂？这些TCP协议知识你应该知道

概念

传输控制协议(TCP)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，

职责

• 为进程和进程之间的通信，
• 为进程间的通信提供可靠保证(并非安全保障)

什么是可靠

1. TCP会尽自己最大努力，将数据传输给对方
2. 如果遇到实在无法发送不到的情况下，TCP会提示发送进程，数据发送操作失败了
3. 保证不会收到错误的数据
4. TCP能保证收到的数据一定是有序的(按照发送进程时的顺序)
5. TCP会根据对方的接受能力和网络线路的承载能力，进行流量的控制

TCP保证可靠的机制

确认应答机制

TCP将每个字节的书序都进行编号，即为序列号，每一个ACK都带有对应的确认序列号，告诉发送者，我已经收到了那些数据；下次你应该从哪里开始发。

超时重传机制

在上述通信过程中，主机A如果没有接收到主机B的应答会怎么办？可能是主机A在发送的途中丢包了，也有可能主机B回主机A的途中丢包了。

• 主机A在给主机B发送数据的时候丢包了

• 由于 TCP 是可靠的，丢包了他不会不管，主机A在接收主机B的应答时会等一段时间（估计数据到B的时间+B应答过来的时间），如果过了这段时间，还没有收到主机B的应答，那么主机A就认为丢包了，就会将刚才的数据重新发送一次，再等一段时间，如果收到应答了，继续通信，如果还是没等到应答，继续发送一次，发送好几次之后，如果还没收到应答，可能是网络太拥堵或者B那边出问题了，主机A关闭连接

TCP会通过序列号做到去重的效果。 

超时的时间是逐步增加的，一般都是第第一次发送的整数倍。

超时重传的次数也是有上限的，达到上限后TCP会关闭本次连接、TCP会通知进程出现异常(通过抛出异常)、最后发送一个reset segment(重置报文)。

连接管理机制

三次握手

第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包(syn=x)到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN(ack=x+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=y),即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1),此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED(TCP连接成功)状态，完成三次握手。

SYN:同步序列编号

四次挥手

1. 第一次挥手：A->B，A向B发出释放连接请求的报文，其中FIN（终止位） = 1，seq（序列号）=u；在A发送完之后，A的TCP客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。此时A还是可以进行收数据的
2. 第二次挥手：B->A：B在收到A的连接释放请求后，随即向A发送确认报文。其中ACK=1，seq=v，ack（确认号） = u +1;在B发送完毕后，B的服务器端进入CLOSE_WAIT（关闭等待）状态。此时A收到这个确认后就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B发出连接释放的请求。此时B还是可以发数据的。
3. (如果 B 直接跑路，则 A 永远处与这个状态。TCP 协议里面并没有对这个状态的处理，但 Linux 有，可以调整 tcp_fin_timeout 这个参数，设置一个超时时间。)
4. 第三次挥手：B->A：当B已经没有要发送的数据时，B就会给A发送一个释放连接报文，其中FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1，在B发送完之后，B进入LAST-ACK（最后确认）状态。
5. 第四次挥手：A->B；当A收到B的释放连接请求时，必须对此发出确认，其中ACK=1，seq=u+1,ack=w+1;A在发送完毕后，进入到TIME-WAIT （时间等待）状态。B在收到A的确认之后，进入到CLOSED（关闭）状态。在经过时间等待计时器设置的时间之后，A才会进入CLOSED状态。

注意：客户端在发送完最后一次确认之后，还要等待2MSL的时间。主要有两个原因，一个是为了让B能够按照正常步骤进入CLOSED状态，二是为了防止已经失效的请求连接报文出现在下次连接中。

TCP状态转换汇总图

 流量控制

  接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。 因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制。而滑动窗口机制可以用来实现接收端处理能力的判断。

滑动窗口

窗口的概念

发送方的发送缓存内的数据都可以被分为4类:1. 已发送，已收到ACK2. 已发送，未收到ACK3. 未发送，但允许发送4. 未发送，但不允许发送

其中类型2和3都属于发送窗口。

接收方的缓存数据分为3类：1. 已接收2. 未接收但准备接收3. 未接收而且不准备接收

其中类型2属于接收窗口。

窗口大小代表了设备一次能从对端处理多少数据，之后再传给应用层。缓存传给应用层的数据不能是乱序的，窗口机制保证了这一点。现实中，应用层可能无法立刻从缓存中读取数据。

滑动机制

1. 发送窗口只有收到发送窗口内字节的ACK确认，才会移动发送窗口的左边界。
2. 接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界。当在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下，窗口不会移动，并不对后续字节确认。以此确保对端会对这些数据重传。
3. 遵循快速重传、累计确认、选择确认等规则。
4. 发送方发的window size = 8192;就是接收端最多发送8192字节，这个8192一般就是发送方接收缓存的大小。

 

拥塞控制

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大 量的数据，仍然可能引发问题。所以TCP引入了慢启动机制。

慢启动机制

• 先发送少量数据，试探当前网络的拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据。
• 此处引入一个概念程为拥塞窗口
• 发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
• 每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
• 每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为 实际发送的窗口；

但是拥塞窗口的增长指数是指数级别，所以后期增长速度会趋于线性。

• 为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。
• 此处引入一个叫做慢启动的阈值
• 当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长

•  当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；
• 在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；

少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；

当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降； 拥塞控制，归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的 折中方案。