TCP如何保证可靠传输(转)

 

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。这篇博客,我们就重点讨论一下TCP协议如何确保传输的可靠性的。

确保传输可靠性的方式
TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有

  1. 校验和
  2. 序列号
  3. 确认应答
  4. 超时重传
  5. 连接管理
  6. 流量控制
  7. 拥塞控制

 

 校验和

计算方式:在数据传输的过程中,将发送的数据段都当做一个16位的整数。将这些整数加起来。并且前面的进位不能丢弃,补在后面,最后取反,得到校验和。
发送方:在发送数据之前计算检验和,并进行校验和的填充。
接收方:收到数据后,对数据以同样的方式进行计算,求出校验和,与发送方的进行比对。

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注意:如果接收方比对校验和与发送方不一致,那么数据一定传输有误。但是如果接收方比对校验和与发送方一致,数据不一定传输成功。

 

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。

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  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?

  首先,发送方没有介绍到响应的ACK报文原因可能有两点:

  1.   数据在传输过程中由于网络原因等直接全体丢包,接收方根本没有接收到。
  2.   接收方接收到了响应的数据,但是发送的ACK报文响应却由于网络原因丢包了。

  TCP在解决这个问题的时候引入了一个新的机制,叫做超时重传机制。简单理解就是发送方在发送完数据后等待一个时间,时间到达没有接收到ACK报文,那么对刚才发送的数据进行重新发送。如果是刚才第一个原因,接收方收到二次重发的数据后,便进行ACK应答。如果是第二个原因,接收方发现接收的数据已存在(判断存在的根据就是序列号,所以上面说序列号还有去除重复数据的作用),那么直接丢弃,仍旧发送ACK应答。

  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。

  在Linux中(BSD Unix和Windows下也是这样)超时以500ms为一个单位进行控制,每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。重发一次后,仍未响应,那么等待2*500ms的时间后,再次重传。等待4*500ms的时间继续重传。以一个指数的形式增长。累计到一定的重传次数,TCP就认为网络或者对端出现异常,强制关闭连接。

 

连接管理
  连接管理就是三次握手与四次挥手的过程,在前面详细讲过这个过程,这里不再赘述。保证可靠的连接,是保证可靠性的前提。

 

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。

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注:16位的窗口大小最大能表示65535个字节(64K),但是TCP的窗口大小最大并不是64K。在TCP首部中40个字节的选项中还包含了一个窗口扩大因子M,实际的窗口大小就是16为窗口字段的值左移M位。每移一位,扩大两倍。

 

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。

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拥塞控制是TCP在传输时尽可能快的将数据传输,并且避免拥塞造成的一系列问题。是可靠性的保证,同时也是维护了传输的高效性。


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