TCP协议传输的特点主要就是面向字节流、传输可靠、面向连接。
TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有:
- 校验和
- 序列号
- 确认应答
- 超时重传
- 连接管理
- 流量控制
- 拥塞控制
确认应答与序列号
序列号:TCP传输时将每个字节的数据都进行了编号,这就是序列号。
确认应答:TCP传输的过程中,每次接收方收到数据后,都会对传输方进行确认应答。也就是发送ACK报文。这个ACK报文当中带有对应的确认序列号,告诉发送方,接收到了哪些数据,下一次的数据从哪里发。
序列号的作用不仅仅是应答的作用,有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序,并且去掉重复序列号的数据。这也是TCP传输可靠性的保证之一
超时重传
在进行TCP传输时,由于确认应答与序列号机制,也就是说发送方发送一部分数据后,都会等待接收方发送的ACK报文,并解析ACK报文,判断数据是否传输成功。如果发送方发送完数据后,迟迟没有等到接收方的ACK报文,这该怎么办呢?而没有收到ACK报文的原因可能是什么呢?
发送方没有接收到ACK响应的原因:其中一方出现了网络问题。
- 数据发送方:数据发送过程中有由于网络问题全体丢包,接收方根本没有收到数据。
- 数据接收方:数据拿到了。但是发送ACK报文的时候由于网络问题,发送失败。
为了解决丢包问题导致的【确认应答、序列号】机制失效,TCP引入了超时重传机制。简单的理解就是在发送方发送数据后的一段时候内,如果没有接收到接收方的ACK响应,那么刚刚发送的数据需要重新发送。对应上面说到的两种原因,如果是数据发方的问题,数据重新发送,数据接收方进行响应ACK;如果是数据接收方的问题,数据发送过来之后,接收方根据序列号判断是否是重复数据,如果是直接丢弃,然后继续返回ack响应。
那么发送方发送完毕后等待的时间是多少呢?如果这个等待的时间过长,那么会影响TCP传输的整体效率,如果等待时间过短,又会导致频繁的发送重复的包。如何权衡?
由于TCP传输时保证能够在任何环境下都有一个高性能的通信,因此这个最大超时时间(也就是等待的时间)是动态计算的。
流量控制
接收端在接收到数据后,对其进行处理。如果发送端的发送速度太快,导致接收端的结束缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据,那么接下来发送的数据都会丢包,继而导致丢包的一系列连锁反应,超时重传呀什么的。而TCP根据接收端对数据的处理能力,决定发送端的发送速度,这个机制就是流量控制。
在TCP协议的报头信息当中,有一个16位字段的窗口大小。在介绍这个窗口大小时我们知道,窗口大小的内容实际上是接收端接收数据缓冲区的剩余大小。这个数字越大,证明接收端接收缓冲区的剩余空间越大,网络的吞吐量越大。接收端会在确认应答发送ACK报文时,将自己的即时窗口大小填入,并跟随ACK报文一起发送过去。而发送方根据ACK报文里的窗口大小的值的改变进而改变自己的发送速度。如果接收到窗口大小的值为0,那么发送方将停止发送数据。并定期的向接收端发送窗口探测数据段,让接收端把窗口大小告诉发送端。
拥塞控制
TCP传输的过程中,发送端开始发送数据的时候,如果刚开始就发送大量的数据,那么就可能造成一些问题。网络可能在开始的时候就很拥堵,如果给网络中在扔出大量数据,那么这个拥堵就会加剧。拥堵的加剧就会产生大量的丢包,就对大量的超时重传,严重影响传输。
所以TCP引入了慢启动的机制,在开始发送数据时,先发送少量的数据探路。探清当前的网络状态如何,再决定多大的速度进行传输。这时候就引入一个叫做拥塞窗口的概念。发送刚开始定义拥塞窗口为 1,每次收到ACK应答,拥塞窗口加 1。在发送数据之前,首先将拥塞窗口与接收端反馈的窗口大小比对,取较小的值作为实际发送的窗口。
拥塞窗口的增长是指数级别的。慢启动的机制只是说明在开始的时候发送的少,发送的慢,但是增长的速度是非常快的。为了控制拥塞窗口的增长,不能使拥塞窗口单纯的加倍,设置一个拥塞窗口的阈值,当拥塞窗口大小超过阈值时,不能再按照指数来增长,而是线性的增长。在慢启动开始的时候,慢启动的阈值等于窗口的最大值,一旦造成网络拥塞,发生超时重传时,慢启动的阈值会为原来的一半(这里的原来指的是发生网络拥塞时拥塞窗口的大小),同时拥塞窗口重置为 1。