一篇看懂【TCP協(xié)議】---TCP協(xié)議詳解（值得收藏）
一、TCP概念
TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接(連接導(dǎo)向)的、可靠的、 基于IP的傳輸層協(xié)議。
首先來看看OSI的七層模型
我們需要知道TCP工作在網(wǎng)絡(luò)OSI的七層模型中的第四層——傳輸層，IP在第三層——網(wǎng)絡(luò)層，ARP 在第二層——數(shù)據(jù)鏈路層;同時，我們需要簡單的知道，數(shù)據(jù)從
應(yīng)用層發(fā)下來，會在每一層都會加上頭部信息，進行 封裝，然后再發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端。這個基本的流程你需要知道，就是每個數(shù)據(jù)都會經(jīng)過數(shù)據(jù)的封裝和解封 裝的過程。
在OSI七層模型中，每一層的作用和對應(yīng)的協(xié)議如下：
二、TCP頭部結(jié)構(gòu)和字段介紹
從上面圖片可以看出,TCP協(xié)議是封裝在IP數(shù)據(jù)包中。
下圖是TCP報文數(shù)據(jù)格式。TCP首部如果不計選項和填充字段，它通常是20個字節(jié)。
下面分別對其中的字段進行介紹：
源端口和目的端口
各占2個字節(jié)，這兩個值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一確定一個TCP連接。有時一個IP地址和一個端口號也稱為socket（插口）。
序號(seq)
占4個字節(jié)，是本報文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)項目組第一個字節(jié)的序號。在TCP傳送的數(shù)據(jù)流中，每一個字節(jié)都有一個序號。例如，一報文段的序號為300，而且數(shù)據(jù)共100字節(jié)，
則下一個報文段的序號就是400；序號是32bit的無符號數(shù)，序號到達2^32-1后從0開始。
確認序號(ack)
占4字節(jié)，是期望收到對方下次發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號，也就是期望收到的下一個報文段的首部中的序號；確認序號應(yīng)該是上次已成功收到數(shù)據(jù)字節(jié)序號+1。
只有ACK標(biāo)志為1時，確認序號才有效。
數(shù)據(jù)偏移
占4比特，表示數(shù)據(jù)開始的地方離TCP段的起始處有多遠。實際上就是TCP段首部的長度。由于首部長度不固定，因此數(shù)據(jù)偏移字段是必要的。數(shù)據(jù)偏移以32位為長度單位，
也就是4個字節(jié)，因此TCP首部的最大長度是60個字節(jié)。即偏移最大為15個長度單位=1532位=154字節(jié)。
保留
6比特，供以后應(yīng)用，現(xiàn)在置為0。
6個標(biāo)志位比特
1、URG：當(dāng)URG=1時，注解此報文應(yīng)盡快傳送，而不要按本來的列隊次序來傳送。與“緊急指針”字段共同應(yīng)用，緊急指針指出在本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)的序號， 使接管方可以知道緊急數(shù)據(jù)共有多長。?
2、ACK：只有當(dāng)ACK=1時，確認序號字段才有效；?
3、PSH：當(dāng)PSH=1時，接收方應(yīng)該盡快將本報文段立即傳送給其應(yīng)用層。?
4、RST：當(dāng)RST=1時，表示出現(xiàn)連接錯誤，必須釋放連接，然后再重建傳輸連接。復(fù)位比特還用來拒絕一個不法的報文段或拒絕打開一個連接；?
5、SYN：SYN=1,ACK=0時表示請求建立一個連接，攜帶SYN標(biāo)志的TCP報文段為同步報文段；?
6、FIN：發(fā)端完成發(fā)送任務(wù)。
窗口
TCP通過滑動窗口的概念來進行流量控制。設(shè)想在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速度很快而接收端接收速度卻很慢的情況下，為了保證數(shù)據(jù)不丟失，顯然需要進行流量控制， 協(xié)調(diào)好
通信雙方的工作節(jié)奏。所謂滑動窗口，可以理解成接收端所能提供的緩沖區(qū)大小。TCP利用一個滑動的窗口來告訴發(fā)送端對它所發(fā)送的數(shù)據(jù)能提供多大的緩 沖區(qū)。窗口大小為
字節(jié)數(shù)起始于確認序號字段指明的值（這個值是接收端正期望接收的字節(jié)）。窗口大小是一個16bit字段，因而窗口大小最大為65535字節(jié)。
檢驗和
檢驗和覆蓋了整個TCP報文段：TCP首部和數(shù)據(jù)。這是一個強制性的字段，一定是由發(fā)端計算和存儲，并由收端進行驗證。
緊急指針
只有當(dāng)URG標(biāo)志置1時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)的序號。
三、TCP流量控制(滑動窗口協(xié)議)
TCP流量控制主要是針對接收端的處理速度不如發(fā)送端發(fā)送速度快的問題，消除發(fā)送方使接收方緩存溢出的可能性。
TCP流量控制主要使用滑動窗口協(xié)議，滑動窗口是接受數(shù)據(jù)端使用的窗口大小，用來告訴發(fā)送端接收端的緩存大小，以此可以控制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，從而達到流量
控制的目的。這個窗口大小就是我們一次傳輸幾個數(shù)據(jù)。對所有數(shù)據(jù)幀按順序賦予編號，發(fā)送方在發(fā)送過程中始終保持著一個發(fā)送窗口，只有落在發(fā)送窗口內(nèi)的幀才允許被發(fā)送；
同時接收方也維持著一個接收窗口，只有落在接收窗口內(nèi)的幀才允許接收。這樣通過調(diào)整發(fā)送方窗口和接收方窗口的大小可以實現(xiàn)流量控制。
我們可以通過下圖來分析:
1.發(fā)送方接收到了對方發(fā)來的報文 ack = 33, win = 10，知道對方收到了 33 號前的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在期望接收 [33, 43) 號數(shù)據(jù)。那我們開始發(fā)送[33, 43) 號的數(shù)據(jù)。 2.[33, 43) 號的數(shù)據(jù)你是已經(jīng)發(fā)送了,但接受方并沒有接受到[36,37]數(shù)據(jù)。所以接收方發(fā)送回對報文段 A 的確認：ack = 35, win = 10。 3.發(fā)送方收到了 ack = 35, win = 10，對方期望接收 [35, 45) 號數(shù)據(jù)。那么發(fā)送方在發(fā)送[35, 45) 。
這里面需要思考一個問題？
第一步發(fā)送了[33, 43),如果這次發(fā)送[35, 45),那中間重疊部分不是發(fā)送了兩次,所以這里要思考: 是全部重新發(fā)送還是只發(fā)送接收端沒有收到的數(shù)據(jù),如果全部發(fā)送那么重復(fù)
發(fā)送的數(shù)據(jù)接收端怎么處理。這個下面快速重傳會講。
4.接收方接收到了報文段 [35, 41)，接收方發(fā)送：ack = 41, win = 10. （這是一個累積確認） 5.發(fā)送方收到了 ack = 41, win = 10，對方期望接收 [41, 51) 號數(shù)據(jù)。 6. ? .......
這樣一直傳輸數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成。這么一來就保證數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的可靠性,因為如果某數(shù)據(jù)沒有獲取到,那么ack永遠不會跳過它。
這里也要思考一個問題,如果某一數(shù)據(jù)一只沒有獲取到,總不能一直這樣堵塞在這里吧,這里就要講接下來有關(guān)堵塞的解決方法。
四、TCP擁塞控制
流量控制是通過接收方來控制流量的一種方式；而擁塞控制則是通過發(fā)送方來控制流量的一種方式。
TCP發(fā)送方可能因為IP網(wǎng)絡(luò)的擁塞而被遏制，TCP擁塞控制就是為了解決這個問題（注意和TCP流量控制的區(qū)別）。
TCP擁塞控制的幾種方法：慢啟動，擁塞避免，快重傳和快恢復(fù)。
這里先理解一個概念: 擁塞窗口
擁塞窗口：發(fā)送方維持一個叫做擁塞窗口 cwnd的狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動態(tài)變化。
發(fā)送方的讓自己的發(fā)送窗口=min(cwnd，接受端接收窗口大小）。說明: 發(fā)送方取擁塞窗口與滑動窗口的最小值作為發(fā)送的上限。
發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少
注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。
下面將討論擁塞窗口cwnd的大小是怎么變化的。
1、慢啟動
TCP在連接過程的三次握手完成后，開始傳數(shù)據(jù)，并不是一開始向網(wǎng)絡(luò)通道中發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包。因為假如網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，很多這樣的大包會積攢在路由器上，很容易導(dǎo)致網(wǎng)
絡(luò)中路由器緩存空間耗盡，從而發(fā)生擁塞。因此現(xiàn)在的TCP協(xié)議規(guī)定了，新建立的連接不能夠一開始就發(fā)送大尺寸的數(shù)據(jù)包，而只能從一個小尺寸的包開始發(fā)送，在發(fā)送和數(shù)據(jù)被
對方確認的過程中去計算對方的接收速度，來逐步增加每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量（最后到達一個穩(wěn)定的值，進入高速傳輸階段。相應(yīng)的，慢啟動過程中，TCP通道處在低速傳輸階段），
以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。這個策略就是慢啟動。
畫個簡單的圖從原理上粗略描述一下
我們思考一個慢啟動引起的性能問題？
在海量用戶高并發(fā)訪問的大型網(wǎng)站后臺，有一些基本的系統(tǒng)維護需求。比如遷移海量小文件，就是從一些機器拷貝海量小碎文件到另一些機器，來完成一些系統(tǒng)維護的基本需求。
慢啟動為什么會對拷貝海量小文件的需求造成重大性能損失？
舉個簡單的例子，我們對每個文件都采用獨立的TCP連接來傳輸（循環(huán)使用scp拷貝就是這個例子的實際場景，很常見的用法）。那么工作過程應(yīng)該是，每傳輸一個文件建立一個連接，然后連接處于慢啟動階段，傳輸小文件，每個小文件幾乎都處于獨立連接的慢啟動階段被傳輸，這樣傳輸過程所用的TCP包的總量就會增多。更細致的說一說這個事，如果在慢啟動過程中傳輸一個小文件，我們可能需要2至3個小包，而在一個已經(jīng)完成慢啟動的TCP通道中（TCP通道已進入在高速傳輸階段），我們傳輸這個文件可能只需要1個大包。
網(wǎng)絡(luò)拷貝文件的時間基本上全部消耗都在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中（發(fā)數(shù)據(jù)過去等對端ACK，ACK確認歸來繼續(xù)再發(fā)，這樣的數(shù)據(jù)來回交互相比較本機的文件讀寫非常耗時間），撇開三次握手和四次握手那些包，如果文件的數(shù)量足夠大，這個總時間就會被放大到需求難以忍受的地步。
因此，在遷移海量小文件的需求下，我們不能使用“對每個文件都采用獨立的TCP連接來傳輸（循環(huán)使用scp拷貝）“這樣的策略，它會使每個文件的傳輸都處于在一個獨立TCP的慢啟動階段。
如何避免慢啟動，進而提升性能？
很簡單，盡量把大量小文件放在一個TCP連接中排隊傳輸。起初的一兩個文件處于慢啟動過程傳輸，后續(xù)的文件傳輸全部處于高速通道中傳輸，用這樣的方式來減少發(fā)包的數(shù)目，進而降低時間消耗。同樣，實際上這種傳輸策略帶來的性能提升的功勞不僅僅歸于避免慢啟動，事實上也避免了大量的3次握手和四次握手，這個對海量小文件傳輸?shù)男阅芟囊卜浅Ｖ旅?/p>
2、擁塞避免
先補充下: 慢啟動中擁塞窗口的cwnd值,開始是1,接下開是指數(shù)型增漲的。1、2、4、8、16.....這樣漲太快了吧。那么就有了堵塞避免。
cwnd不能一直這樣無限增長下去，一定需要某個限制。TCP使用了一個叫慢啟動門限(ssthresh)的變量，一旦cwnd>=ssthresh（大多數(shù)TCP的實現(xiàn)，通常大小都是65536），慢啟動過程結(jié)束，擁塞避免階段開始；
擁塞避免：cwnd的值不再指數(shù)級往上升，開始加法增加。此時當(dāng)窗口中所有的報文段都被確認時，cwnd的大小加1，cwnd的值就隨著RTT開始線性增加，這樣就可以避免增長過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，慢慢的增加調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)的最佳值。(它邏輯很簡單就是到一定值后,cwnd不在是指數(shù)增長,而是+1增長。這樣顯然慢多了）。
非ECN環(huán)境下的擁塞判斷，發(fā)送方RTO超時，重傳了一個報文段，它的邏輯如下：
把ssthresh降低為cwnd值的一半。
把cwnd重新設(shè)置為1。
重新進入慢啟動過程。
上面的圖還是蠻好理解的。
3、快速重傳
TCP要保證所有的數(shù)據(jù)包都可以到達，所以，必需要有重傳機制。
注意: ?接收端給發(fā)送端的Ack確認只會確認最后一個連續(xù)的包，比如，發(fā)送端發(fā)了1,2,3,4,5一共五份數(shù)據(jù)，接收端收到了1，2，于是回ack 3，然后收到了4（注意此時3沒收到）此時的TCP會怎么辦？我們要知道，因為正如前面所說的，SeqNum和Ack是以字節(jié)數(shù)為單位，所以ack的時候，不能跳著確認，只能確認最大的連續(xù)收到的包，不然，發(fā)送端就以為之前的都收到了。
3.1）超時重傳機制
一種是不回ack，死等3，當(dāng)發(fā)送方發(fā)現(xiàn)收不到3的ack超時后，會重傳3。一旦接收方收到3后，會ack 回 4——意味著3和4都收到了。
但是，這種方式會有比較嚴重的問題，那就是因為要死等3，所以會導(dǎo)致4和5即便已經(jīng)收到了，而發(fā)送方也完全不知道發(fā)生了什么事，因為沒有收到Ack，所以，發(fā)送方可能會悲觀地認為也丟了，所以有可能也會導(dǎo)致4和5的重傳。
對此有兩種選擇：
一種是僅重傳timeout的包。也就是第3份數(shù)據(jù)。
另一種是重傳timeout后所有的數(shù)據(jù)，也就是第3，4，5這三份數(shù)據(jù)。
這兩種方式有好也有不好。第一種會節(jié)省帶寬，但是慢，第二種會快一點，但是會浪費帶寬，也可能會有無用功。但總體來說都不好。因為都在等timeout，timeout可能會很長。
3.2）快速重傳機制
于是，TCP引入了一種叫Fast Retransmit的算法，不以時間驅(qū)動，而以數(shù)據(jù)驅(qū)動重傳。也就是說，如果，包沒有連續(xù)到達，就ack最后那個可能被丟了的包，如果發(fā)送方連續(xù)收到3次相同的ack，就重傳。Fast Retransmit的好處是不用等timeout了再重傳,而是只是三次相同的ack就重傳。
比如：如果發(fā)送方發(fā)出了1，2，3，4，5份數(shù)據(jù)，第一份先到送了，于是就ack回2，結(jié)果2因為某些原因沒收到，3到達了，于是還是ack回2，后面的4和5都到了，但是還是ack回2因為2還是沒有收到，于是發(fā)送端收到了三個ack=2的確認，知道了2還沒有到，于是就馬上重轉(zhuǎn)2。然后，接收端收到了2，此時因為3，4，5都收到了，于是ack回6。
示意圖如下
Fast Retransmit只解決了一個問題，就是timeout的問題，它依然面臨一個艱難的選擇，就是重轉(zhuǎn)之前的一個還是重裝所有的問題。對于上面的示例來說，是重傳#2呢還是重傳#2，#3，#4，#5呢？因為發(fā)送端并不清楚這連續(xù)的3個ack(2)是誰傳回來的？也許發(fā)送端發(fā)了20份數(shù)據(jù)，是#6，#10，#20傳來的呢。這樣，發(fā)送端很有可能要重傳從#2到#20的這堆數(shù)據(jù)（這就是某些TCP的實際的實現(xiàn)）?？梢?，這是一把雙刃劍。
總結(jié): 不管是超時重傳還是快速重傳確實能保證數(shù)據(jù)的可靠性,但它無法解決的問題就是：比如發(fā)送端發(fā)了1、2、3、4、5,而接收端收到了1、3、4、5,那么這個時候它發(fā)送的ack是2。那么發(fā)送端發(fā)送的是重傳#2呢還是重傳#2，#3，#4，#5的問題。如果在發(fā)送#2，#3，#4，#5,本身資源是一種浪費,因為接受方#3，#4，#5已經(jīng)緩存下來,只需#2,所以在發(fā)一遍是無意義的。
