TCP报头详解及TCP十种核心机制（一）

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前言：

TCP报头

TCP核心机制

一、确认应答

二、超时重传

小结：

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前言：

    这篇文章详细介绍了TCP报头中的一些核心数据，及两种TCP核心机制。其他的一些机制会在后面文章中详细介绍。

TCP报头

解释：

1）源端口号，目的端口号

    源端口号，目的端口号就是在网络通信中五元组之二。由于是16位，那么就存在数据的取值范围。0 -- 1023为知名端口号，和UDP这里是一样的，上篇文章中有详细介绍。

2）32位序号

    TCP为了实现可靠性，提出了确认应答和超时重传来主要保证TCP的可靠性。32位序号就是针对TCP发送的数据按照字节进行编号（累加进行编号）。

    因此只需要确定第一个字节的序号，根据数据长度就可以推算出其他字节的序号。那么在数据传输时只需要将第一个字节序号传输过去即可。

    由于数据传输存在 “后发先至” 的问题，那么接收方回复的数据就不知道是针对那一条。因此在应答报文中，就可以利用序号确定对哪一条数据进行应答（回复时针对编号进行回复）。

3）32位确认序号

    当接收方接收到数据后，按照接收到的数据最后一个字节序号 + 1 作为确认序号。如果返回的应答报文这个确认序号是上一条数据最后一字节序号加1，就证明这个序号以前的数据发送成功了。

4）4位首部长度

    描述了TCP报头的长度（单位4字节），4位最大就是15，即报头长度最大就是60字节。

    报头除过选项，其他长度是固定的20个字节。

5）保留六位

    为以后的扩展提供位置，便于TCP扩展。

6）六位标志位

    – URG: 紧急指针是否有效。
    – ACK: 确认号是否有效（应答报文有效）。
    – PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走。
    – RST: 对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段。
    – SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段。
    – FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段。

    ACK这位如果为1证明就是应答报文，如果为0就不是。确认序号只有在应答报文中才有意义。其他几位后续的十种核心机制中会提到。

    六位标志位，就是为了确定了这个报文是哪一类。

7）16位窗口大小

    后面的滑动窗口中详细介绍。

8）16位校验和

    这里和UDP原理一样。根据一些算法计算出校验和，在接收的数据再计算一遍，然后对比是否相等，来确定数据是否准确。UDP这里有详细介绍。

9）16位紧急指针

    标识了那部分数据为紧急数据。

10）选项

    TCP报头除过选项其他固定20位，即：首部长度 - 20 = 选项长度。TCP报头大小是可变的，就是因为选项的存在，选项对TCP报文一些属性进行解释说明。

TCP核心机制

一、确认应答

问题：    

    网络中后发先至这个现象是客观存在的，无法避免。因此报文到达的顺序也是会有变化的。

解决方案：

    针对数据进行编号，按照字节为单位进行编号。字节序号进行累加，因此只需要标注起始字节序号，其他字节序号就可以推断出来。对于后一条数据起始序号就是前一条数据最后字节序号加1。在响应数据时只需要针对序号进行响应即可。

    当客户端接收到响应后，按照应答报文中的确认序号，就可以确定这个序号之前的数据已经发送成功了。

确认序号取值：

    针对收到数据后最后一个字节序号 + 1。返回的ACK，如果这个确认序号是上一条数据最后一字节序号加1，就证明数据发送成功了。接下来发送方就从上一条数据最后一字节序号 + 1 为下一条      数据的起始序号进行发送。

小结：

    TCP可靠传输能力，最主要就是通过确认应答和超时重传体现的。通过应答报文，就可以让发送方清楚知道数据传输是否成功。进一步引入序号和确认序号，针对多组数据进行区分。

二、超时重传

问题：

    丢包分为两种情况：1.发送的数据包丢了。2.返回的应答数据包丢了。发送方看到的结果就是没有响应，那么一致认为丢包了。（丢包的概率非常小，但是存在）

TCP重传机制：

    引入一个时间阈值。发送方发送数据后，开始计时。如果时间阈值内没有收到响应，就认为是丢包了。然后就进行重新传输。（超时重传，超过一定的时间，没有响应，就重新传输）

    如果重传多次都失败（时间间隔会增大，非常小概率事件），TCP会认为网路出现故障。TCP就会断开重新连接。如果重置还是失败，就彻底断开连接了。

问题：

    如果返回的应答数据报丢了，重传就会使接收方收到多个一样的数据。

解决方案：

    TCP存在接收缓冲区（内核中的一块内存），每个socket对象都有一个接收缓冲区（也有发送缓冲区）。缓冲区可以认为是一个阻塞的优先级队列，利用序号针对重复数据进行去重（丢包重传产生的），利用序号对数据进行排序。然后接收端从缓冲区接收的数据就是，有序且去重的。

小结：

    可靠传输是TCP的最核心部分。TCP的可靠传输就是通过 确认应答 + 超时重传 来体现的。确认应答描述的是传输顺利的情况，超时重传描述的是传输出现问题的情况。两种相互配合，共同体现TCP的可靠性。