TCP 协议

TCP协议段格式

源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去。

序号：发送数据的序号。

确认序号：应答报文的序号，用来回复发送方的。

4 位首部长度：一个 TCP 报头，长度是可变的，不像 UDP 固定是 8 个字节。描述了 TCP 报头具体多长。因为选项之前的部分都是确定的 20 字节，所以首部长度 -20 字节就是选项部分的长度。如果首部长度值是 5，表示整个 TCP 报头是20字节（相当于没有选项）。因为 4bit => 0 - 15，所以 TCP 报头最长为 15 * 4 = 60 字节（选项相当于是 40 字节）。

保留：占个位置，现在没用但是以后可能会用。如果 TCP 后续引入了一些新功能，就可以使用这些保留位字段。就像现在用 128G 内存的手机够用，但是建议 256G 或者更大，为了后续能有空间。

URG：紧急指针是否有效 ACK：确认号是否有效，如果标志位为 1，表示是应答报文，如果是 0，就表示不是 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 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

检验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。

TCP 内部核心工作机制

确认应答（安全机制）

这是实现可靠传输最核心的机制。TCP 进行可靠性传输，最主要的就是靠这个确认应答机制。A 给 B 发了消息，B 收到之后就会返回一个应答报文（ACK），此时 A 收到应答之后就知道数据已经顺利到达 B 了。

但是，网络可能会出现“先发后至”的情况，即我给对方发了吃饭和 做我女朋友 这两条信息，本来对方是可以和不行的，但由于“先发后至”，我就会收到不行和可以，这时候就会对我造成信息的误解。

为了解决上述问题，就可以给传输的数据和应答报文进行编号即可：

每一个 ACK 都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。

应答报文报头中确认序号填写的是 1001，就是刚才 1000 字节的数据基础上 +1。表示的含义是：小于 1001 的数据已经确认收到了、接下来应该从 1001 这个序号开始继续发送数据了。

小结：TCP 具有可靠传输能力，最主要就是通过确认应答机制来保证的，通过应答报文，就可以让发送方知道数据是否传输成功；进一步地引入了序号和确认序号，针对多组数据进行详细区分。

超时重传

在讨论确认应答的时候，都是建立在顺利传输的基础上，但如果传输过程丢包了呢？发的数据丢了、返回的 ACK 丢了或者还在路上，此时发送方没有收到 ACK，就会统一认为已经丢包了。此时 TCP 就引入了重传机制。

主机 A 发送数据给 B 之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机 B。TCP 引入了一个时间阈值，如果超过这个阈值也没有收到 ACK，此时就会认为已经是丢包了，就会重新传输。

但如果是应答报文丢了或者应答报文还在路上，此时 TCP 又重发了，那么就有可能出现接收到两个相同的数据。 TCP 针对这种重复的数据传输，可以进行特殊的处理进行去重：TCP 存在一个“接收缓冲区”这样的存储空间（每个 TCP 的 Scoket 对象，都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区），即接收方的操作系统内核里的一段内存。B 收到 A 的数据，其实就是 B 的网卡读到了数据，然后把这个数据放到 B 对应的接收缓冲区中。可以想象成是一个优先级阻塞队列，根据数据的序号很容易识别是否有数据重复，如果重复就把后来的那份数据丢弃。TCP 使用这个接收缓冲区对收到的数据按序号进行重新排序，保证应用程序 read 到的数据和发送的顺序一致。

如果重传的数据又丢了的话，就会再一次重传，每次重传所需的时间间隔都会增加，当重传次数达到一定时，TCP认为网络或者对端主机出现异常，就会直接断开连接（避免浪费系统资源）。由于去重和重新排序机制的存在，发送方只要发现 ACK 没有按时到达，就会重新发送数据。

小结：可靠传输是 TCP 最核心的部分。可靠传输是通过确认应答 + 超时重传来进行体现的。其中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。这两者相互配合，共同支撑 TCP 整体的可靠性传输。