外观
TCP 怎么保证可靠性的
⭐ 题目日期：
字节 - 2024/09/03
📝 题解：
TCP 通过一系列机制确保数据传输的 可靠性，包括 有序性、完整性、去重性 和 容错性。以下是其实现可靠传输的核心机制：
1. 序列号与确认应答（Sequence & Acknowledgment）
- 序列号（Sequence Number）每个数据包携带唯一序列号，标识数据顺序。例如：
- 发送方发送
Seq=1, len=100→ 接收方预期下一序列号为101。
- 发送方发送
- 确认应答（ACK） 接收方返回 ACK=下一期望序列号，确认已正确接收数据。 示例：
- 发送
Seq=1, len=100→ 接收方返回ACK=101。
- 发送
- 累积确认：ACK 表示之前所有数据已接收，例如
ACK=101确认了序列号 1~100 的数据。
2. 超时重传（Retransmission）
- 重传计时器（RTO, Retransmission Timeout） 发送方为每个未确认的数据包启动计时器，若超时未收到 ACK，重传该数据包。
- 动态 RTO 计算：基于 RTT（Round Trip Time）动态调整超时阈值，适应网络波动。
- 示例场景：
- 发送方发送
Seq=1，RTO 设为 200ms。 - 200ms 后未收到
ACK=101→ 重传Seq=1。
- 发送方发送
3. 快速重传（Fast Retransmit）
- 重复 ACK 触发：当发送方连续收到 3 个相同的 ACK，认为数据包丢失，立即重传。
- 示例： 发送方发送
Seq=1, 2, 3, 4→ 接收方收到1, 2, 4→ 连续返回ACK=3。 发送方收到 3 次ACK=3→ 立即重传Seq=3，无需等待超时。
- 示例： 发送方发送
4. 滑动窗口（Sliding Window）
- 流量控制：接收方通过 窗口大小（Window Size） 告知发送方可接收的数据量。
- 动态调整：窗口大小随接收方缓冲区剩余空间变化，防止发送方过载接收方。
- 发送窗口机制：
- 发送方仅发送窗口内的数据。
- 窗口滑动条件：收到旧数据的 ACK 后，窗口向前滑动，允许发送新数据。
5. 数据校验和（Checksum）
- 完整性验证：发送方计算数据包的校验和，接收方验证校验和。
- 若校验和错误，接收方直接丢弃数据包，不返回 ACK → 触发发送方重传。
6. 连接管理（三次握手与四次挥手）
- 三次握手建立连接：确保双方序列号****同步且通信能力正常。
- 示例：
客户端 → SYN(Seq=x) → 服务端 服务端 → SYN-ACK(Seq=y, ACK=x+1) → 客户端 客户端 → ACK(ACK=y+1) → 服务端
- 四次挥手释放连接：确保双方数据传输完成且无残留数据。
- 示例：
主动方 → FIN(Seq=x) → 被动方 被动方 → ACK(ACK=x+1) → 主动方 被动方 → FIN(Seq=y) → 主动方 主动方 → ACK(ACK=y+1) → 被动方
7. 拥塞控制（Congestion Control）
- 慢启动（Slow Start）：初始阶段指数级增大窗口，快速探测可用带宽。
- 拥塞避免（Congestion Avoidance）：接近拥塞阈值时，线性增长窗口。
- 拥塞发生时的响应：
- 超时丢包：窗口重置为 1，重新慢启动。
- 快速重传：窗口减半，进入快速恢复阶段。
- 现代算法：如 CUBIC（基于三次函数的窗口增长）和 BBR（基于带宽和延迟测量）。
8. 去重与有序性
- 序列号排序：接收方根据序列号对数据包排序，丢弃重复包。
- 按序交付：仅将连续有序的数据提交给应用层，乱序数据暂存缓冲区。
可靠性保障流程示例
- 发送数据：发送方将数据分段，添加序列号，放入发送窗口。
- 接收确认：接收方校验数据，返回 ACK 或重复 ACK。
- 处理丢包：
- 若超时未收到 ACK → 超时重传。
- 若收到 3 个重复 ACK → 快速重传。
- 滑动窗口：根据 ACK 和窗口大小，动态调整发送速率。
- 拥塞控制：通过算法限制发送速率，避免网络过载。
总结
TCP 的可靠性通过以下机制协同实现：
- 确认与重传：确保数据到达（ACK）或补发丢失数据（超时/快速重传）。
- 序列号与排序：保证数据有序性和去重。
- 校验和：验证数据完整性。
- 流量与拥塞控制：防止发送速率超过接收方或网络的处理能力。
- 连接管理：确保通信双方状态同步。
这些机制使 TCP 能在不可靠的 IP 层之上，提供稳定、有序、无差错的数据传输服务。