网络原理(4)——TCP协议的特性

如果是ack丢了，其实是没关系的 ，因为这里有确认序号，如果你接受到3001~4000，因为接受到后，确认序号就会变成4001，如果前面接受到1~3000的数据，然后接受方没有返回ack，但你此时的确认序号就是4001，那有关系吗，接受方已经知道了，而确认序号的4001就是表示4001前的数据它都收到了，下一个要接受的数据是4001。如图：

如上图，虽然中间两个ack传输失败了，但这里的确认序号已经变成了4001，也就是说，4001之前的数据都收到了，接下来要收到的数据是4001了，也就是说，中间两次的ack发不发送给主机A都可以，因为我已经知道了4001之前的数据都收到了。就像你在大街想加一个小姐姐的微信，结果人家小姐姐跟你说，人家都已经有娃了，那里面包含的信息不就是人家小姐姐已经谈过恋爱还结婚了。

2、数据丢了

如图：

如果1~1000的数据没有发送到主机B上，也就意味着主机B不会发送ack报文给主机A了，发送方在反复多次想主机A索要ack后 ，还是收不到，发送方就会认为1~1000的数据丢包了 ，就会重传1~1000的数据给主机B。

主机B因为拿不到1001之前的数据，就会反复想发送端索要 ；接下来就是重传3次后，主机B终于收到1~1000的数据了，主机B就会返回ack给发送方，然后主机B的确认序号就会变成4001 ，而不是1001；这是因为不管是发送方还是接收方，都会有接受缓冲区，前面1001~4000的数据主机B是收到了，但不会更新确认序号，而是把最新的确认序号放在主机B里的接收缓冲区中。当拿到1~1000的数据后，就会返回ack给发送端，然后更新确认序号，这个新的确认序号就是在接收缓冲区中拿的。

注意：这里的反复索要，次数也是有限的 ，如果反复多次索要合理的数据，还是不成功，想要的数据应该就是丢了 ，这里规定的次数 也就相当于**"超时时间"** 的判定了。

上述的重传的过程，整体效率还是很高的，已经接收到的数据就不不必重传了，这里重传是针对没有接受到的数据（丢包了的）。这里整体的效率没有损失，这种重传就称为快速重传。

这里的滑动窗口、快速重传、确认应答、超时重传是同时存在的，互不干扰 ；如果滑动窗口的窗口比较小，也就是要传输的数据比较少，就会出现：滑不动的情况，这时为了保证可靠性，就会退化成确认应答，一个一个的数据进行传输，使用超时重传来保证其可靠性，此时判断是否丢包就是看是否到达时间还没返回ack；如果数据很庞大，就会使用快速重传来保证其可靠性，此时判断是否丢包就是看是否有多个ack，索要同一个数据。

二、流量控制（流控）

我们通过滑动窗口可以知道，这里的窗口越大，传输速度就会越快，但是窗口能无限大吗？答案显而易见：不能；以下是原因的解释。

我们知道，发送方发送数据的速度是由滑动窗口的大小决定的 ，而接收方接受数据的速度是由它自身处理数据的能力决定 的，如果发送方发送的数据太多、太快，接收方处理不过来这些数据了，第一时间这些处理不过来的数据会放在接收缓冲区里面，但如果缓冲区里面也满了，这时候，就会出现丢包。所以我们要控制窗口的大小，举个简单的例子，如图：

我们想要让蓄水池不装满水的话，进水口的速度就要和出水口的速度持平，就算快一点点也没事，因为蓄水池有容量空间，可以储存在蓄水池里；但如果进水口速度过快，出水口就那么大点位置，不久后蓄水池就会装满水，这时候出水口排不出去这么多水，进水口那就会溢出浪费了。

我们所说的流量控制也和上面的例子类似，要控制窗口大小，尽量让发送方的发送数据速度和接受速度持平 ，而为了让发送、接受速度尽可能持平，就要让接收方去影响发送方的速度，这就是流量控制。流量控制是通过下面这个字段反馈给发送方的：

这个字段在普通报文段没有意义，在ack报文中才有意义 ，也就是接收方接受到数据后，通过ack反馈给发送方，告诉发送方下次发送数据的速度（窗口大小）该如何调整；而接收方通过自己的接受缓冲区剩余空间的大小，作为ack中窗口大小的数值，发送方接受到ack后，就会根据这个数值，来调整自己窗口的大小。大概流程如图：

第一次传输1~1000的数据给主机B，主机B收到后根据自己接收缓冲区剩余大小，在ack中设置窗口大小报文，把ack返回给主机A，主机A就知道主机B的接收缓冲区还剩多少，从而调整主机A传输数据的窗口大小，把1001~4000数据批量的传输给主机B，此时主机B的接受缓冲区就满了，然后主机A这边等一定的时间，来接受主机B发送过来的窗口更新的通知，超过这个时间阈值还没等到主机B发来的通知，此时主机A就会发一个窗口探测包给主机B，索要窗口更新通知，等收到窗口更新通知后发现是2000，此时就主机A就发送4001~6000数据给主机B。

这里16位窗口大小最大就是64k吗？其实不然 ，子啊TCP报头的选项中，还包含了一个参数：窗口拓展因子；而实际真实要设置的窗口大小是 ：16位窗口大小 * 2^窗口扩展因子

三、拥塞控制

拥塞控制和流量控制的本质都一样：限制发送方发送数据的速率 。不过这里是站在有中间路径的角度看的。

我们知道，网络是非常复杂的 ，通过网络从A机器发送数据给B机器，中间要经过很多的路由器、交换机，其中这中间的设备情况都不一样，有些设备的负载不大，数据能正常传输，但有些设备可能负载很大，已经到它的极限了，这时候就会出现丢包的情况。如图：

而拥塞控制就要考虑这种情况，然后调整发送方拥塞窗口的大小。

因为这里类似木桶效应 ，木桶能装多少水，取决于短板；上面的图也是类似的道理，有很多条路径传输数据的速度非常快，但有其中一个路径的设备高负载了，到极限了，只要数据经过这，就会阻塞，也就必须要调整发送方的窗口大小。

因为传输数据要经过中间路径，所以啥时候回堵塞，我们不能知道，是随机的 ；这里为了调整窗口的大小，就只能实验了。

而窗口的调整也是动态变化的；因为我们无法控制啥时候传输数据的时候会堵塞，所以，只要丢包了，我们就认为数据在中间某个节点上阻塞了，从而缩小窗口大小，如果没丢包，就逐渐增大窗口大小；我们称为：动态变化。以下是动态变化的规则。

拥塞窗口动态变化的规则

总的规则： 流量控制和拥塞控制谁产生的窗口小，就是谁说的算。以下是拥塞控制产生的窗口大小规则：

1、慢启动 ；刚开始传输数据的时候，拥塞窗口会设置的非常小，传输的速率也就很小（如果一下子就把窗口设置太大，就可能导致设备的负载过高，从而在传输的过程中阻塞、丢包）。

2、因为刚启动时的窗口非常小，此时为了提高传输效率，就会增大窗口，而这个窗口是随指数式增大的。

3、随着窗口增大到一定程度，就不能继续让它指数式的增大了 ，因为指数式的增长的太快，窗口一下子增大的太大，就会导致网络拥堵、丢包这种情况 ；这里会设置一个阈值 ，到达阈值后，窗口就会成线性式增大。

4、窗口是随着线性式的增大，也不能让它无限的增大 ，如果增大到一定程度，出现了丢包的情况，就要让窗口大小重新回到一个比较小的值，然后回到慢启动这个过程。并且这里会根据刚才丢包的窗口大小，重新设置限制指数增长的阈值。

大概流程如图：

如果出现丢包了 ，就要进入上面说的第四阶段，但这里有两个版本的慢启动 ，一是旧版的，窗口大小回到非常小的值，经过指数增长再进入线性增长；二是新版的，窗口不会回到非常小的值，也不会回到指数增长阶段，直接是线性增长阶段，指数增长阶段只会出现在刚开始的时候。

整个过程的窗口大小都是动态变化的，这个过程也非常像谈恋爱的过程。

四、延时应答

基于滑动窗口，来提高传输效率的 ；延时应答就是发送方批量的发送数据给接收方，接收方收到这些数据，并不会一个一个ack的发送给发送方，而是等一段时间，等接收方处理一段时间刚发过来的数据后，才返回一个ack给发送方。为什么呢？

原因就是接收方接收到数据，不是就直接处理这个数据的，而是先放到接收缓冲区中，然后再处理数据，如果等一段时间，接收缓冲区的数据就会变少，因为留有一定的时间把它们给处理了。那返回ack中会带有窗口大小的报文，这个报文就是根据接收缓冲区的剩余空间来设置窗口大小的，因为留有一段时间处理缓冲区的数据，所以接收缓冲区的剩余空间就变大了，窗口大小也会变大，传输数据的速度也会变快。

上面讨论过滑动窗口如果ack丢了的情况，这种情况没关系，因为有确认序号，所以丢了也没事；所以延时应答这里，就设置每处理几个数据，就返回一个ack回去，从而起到延时的效果 ，当然，这里等处理几个数据的时间也不是无限等的，而是会设置一个时间阈值，如果超过这个时间阈值，不管接收方还剩多少个数据没处理，都会返回ack。

所以延时应答的核心 ：通过在允许的范围内（延时返回ack），增大滑动窗口的大小（提高数据的传输效率）。

五、捎带应答

基于延时应答，用来提高数据传输效率的 。在数据传输中，如果发送方发送数据过来，我接收到了，然后因为延时应答，我可以等一段时间再返回ack回去，但因为有等待这一时间，就可以把ack连同响应，一起返回给发送方。大概流程如图：

这里ack延时的这段时间结束后，服务器刚好把请求计算完，准备返回响应给客户端，这时候就可以把ack和response一起返回回去。当然，如果返回ack和发送请求的时机一样，也可以合并，就成了如图：

因为延时应答，所以只要延时后ack返回的时机和发送数据的时机相同，触发了捎带应答，就可以把它们合并到一起进行发送。所以，基于延时应答+捎带应答，是可以把四次挥手变成3次的：fin fin+ack ack。

捎带应答啥时候触发，具体还得是看你代码具体咋写，下次发送过来的数据快不快，接受方处理数据的速度快不快。

六、面向字节流

这里核心要解决的问题：粘包问题

因为TCP是传输数据的时候是以字节为单位进行传输的，那如果多次传输数据过去，这些数据就会在接收缓冲区中，因为全都是字节，在接收缓冲区中就无法辨哪到哪是一个完整的应用层数据包，这就是粘包问题。如图：

其中解决粘包问题有两种方法：

（1）通过特殊符号作为分隔符 。例如上图说的用空白作为分隔符，如果遇到这个分隔符了，就说明一个包结束了。

（2）指定包的长度 。会使用一个特殊的空间，表示一个数据包的长度，如图：

对于粘包问题，TCP协议是不会解决的 ，要程序员自己编写代码解决这个问题，可以用上面这两种方法解决。

而UDP协议就不会存在这种问题 ，因为UDP协议面向的是数据报 ，发送数据的单位是数据报，就能分隔开不同的数据内容；而UDP的接受缓冲区不是像上面这样的，而是类似数据结构中的链表，把每个的数据报给连接起来，如图：

七、异常情况

异常的严重程度也是有高低之分的，一种是丢包了的异常，如果是丢包了，就直接触发TCP里的超时重传特性就好了；但也还有更严重的情况：网络故障，这该如何解决呢？

以下有不同网络故障的情况，其中也会介绍如何解决：

（1）进程崩溃了

进程无论是正常关闭，还是异常崩溃，都会进行资源回收，也就是关闭文件的效果（系统内完成的），所以，如果是进程崩溃了，进程崩溃的一方肯定会执行到类似socket.close()的效果，也就是说一定能把 fin 给发送出去 ；而且 TCP连接的生命周期比进程的生命周期长 ，这样也就能完成四次挥手的操作，把连接给断开了（双方把保存对端的信息给删除掉）。

（2）其中一方关机了（正常关机）

当有个主机关机，就会强制杀死系统中所有的进程，进程关闭，也就一定会给对端发送 fin ，对方接收到，也就会进行四次挥手的流程，但这里四次挥手不一定能挥完：

1、如果四次挥手挥的快，在系统关机前，把最后一个ack发送过去，就能完成四次挥手。

2、如果系统提前关机了，那也没事，至少把fin发送出去了 ，对端接收到 fin ，就会把ack和fin也返回回来，但是因为已经关机了，最后一个ack肯定不能给对端发送过去；这时候对端很久都没有收到ack，就会触发超时重传 ，当重传几次后，还没有收到，对端就会单方面把连接给断开了，删除连接信息。

（3）其中一方断电了

直接断电了，肯定就是来不及发送fin了，这里分为两种情况

1、接收方断电了

发送方就会突然发现，ack没了，发送方就会尝试重传，重传几次后，发现还是没有ack返回回来，就会触发**"复位" 连接** 进行重连，要是重连不成功，发送方就会知道对方挂了，然后进行单方面的断开连接。复位连接需要用到RST复位报文段，如图：第四个

复位连接： 清除原来TCP的各种临时数据，重新开始连接，类似过去既往不咎的效果（此时的RST不会有ack的返回）。

剩下两个报文段：URG、PSH的简单介绍

URG：与TCP带外数据有关系，TCP中有些特殊的数据包，携带一些特殊的功能。

PSH：催促对方快点发消息给我。

2、发送方断电了

接收方本身就是在阻塞等待对方发消息过来，如果迟迟没有信息回来，接收方就要试探一下，对方是不是挂了，这里就会使用 "心跳包" 来咨询对方情况。而心跳包也不带应用层的数据的，是一个特殊的数据包，带有周期性的发送给对端 ，这个周期、频率程序员是可以自己设置的；当发送心跳包后，没有返回 "心跳" ，就视为对方挂了；如果对端挂了，也就会进行单方面的断开连接。

（4）断网了（网线断开）

结合接收方和发送方都断电的情况。