TCP 传输可靠性保障

TCP 如何保证传输的可靠性？

TCP传输可靠性的保障主要通过以下几个核心机制实现：

‌1. 三次握手与连接管理‌：
TCP在建立连接时采用三次握手过程，确保通信双方实体真实存在，并同步连接参数。这一过程为后续的可靠数据传输打下了坚实基础。同时，TCP还使用四次挥手来正常终止连接，确保最后的数据能够完整传输‌。

‌2. 序列号和确认应答‌：
TCP给发送的每个字节都分配一个序列号，接收方则通过发送确认号（ACK）来确认接收到的数据。确认号是接收方期望接收的下一个字节的序列号。如果发送方在一定时间内未收到确认应答，会认为数据丢失，并触发重传机制‌。

‌3. 数据重传与超时机制‌：
当发送方未收到确认应答时，会重传数据。超时时间基于往返时间（RTT）估计，并可以根据网络状况动态调整。这一机制确保了数据在传输过程中的可靠性，即使出现丢包也能及时恢复‌。

‌4. 流量控制与滑动窗口‌：
TCP使用滑动窗口机制来控制发送方的数据流量，避免接收方被大量数据淹没。发送方和接收方通过窗口大小来协调数据的发送和接收，确保网络的稳定运行‌。

‌5. 拥塞控制‌：
TCP通过算法如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复来动态调整发送速率，优化网络性能并避免网络拥塞。这一机制有助于减少网络中的数据包丢失和延迟，提高传输效率‌。

‌6. 数据校验‌：
TCP报文头包含校验和，用于校验报文是否损坏。如果数据在传输过程中发生错误，接收方可以检测到并要求重传，进一步确保数据的完整性‌。

TCP通过三次握手与连接管理、序列号和确认应答、数据重传与超时机制、流量控制与滑动窗口、拥塞控制以及数据校验等机制共同保障了数据传输的可靠性。这些机制相互协作，确保了数据在网络中的完整、准确和有序传输。

TCP 如何实现流量控制？

TCP（传输控制协议）通过滑动窗口机制来实现流量控制，确保数据在发送方和接收方之间的传输既高效又可靠。以下是TCP实现流量控制的具体方式：

1. 滑动窗口机制
‌窗口大小的确定‌：TCP连接建立后，接收方会在确认应答报文中告知发送方自己的接收窗口（rwnd）大小。这个大小表示接收方当前能够接收的数据量。例如，如果接收方告知发送方窗口大小为500字节，发送方就可以连续发送最多500字节的数据给接收方。
‌数据发送与确认‌：发送方根据接收方的窗口大小，将数据分成多个报文段进行发送。每发送一个报文段，发送方就会启动一个定时器等待接收方的确认应答。接收方成功接收数据后，会向发送方发送确认应答，其中包含确认号ACK和当前的接收窗口大小。确认号用于告知发送方下一个期望接收的字节序号，而接收窗口大小的更新则让发送方知道后续还可以发送多少数据。
‌窗口的滑动‌：随着接收方不断接收和处理数据，接收窗口会不断地向前滑动。发送方根据接收窗口的滑动情况，不断调整自己的发送窗口swnd，继续发送后续的数据。
2. 流量控制的动态调整
‌窗口大小的动态调整‌：如果接收方处理数据的速度较慢，导致接收窗口变小，接收方会在确认应答中告知发送方新的窗口大小。发送方收到后，就会相应地减少发送的数据量，以适应接收方的处理能力。相反，如果接收方处理速度较快，接收窗口变大，发送方也可以增加发送的数据量，提高数据传输效率。
‌零窗口探测‌：当接收方的接收窗口变为0时，表示接收方暂时无法接收更多的数据。发送方在收到rwnd=0的确认消息后，会暂停发送数据，并启动一个持续计时器。当持续计时器到期时，即使接收窗口仍然为0，发送方也会发送一个小的数据包（零窗口探测报文段）来试探接收方的状态。接收方收到零窗口探测报文段后，会返回一个新的ACK报文，其中包含了最新的接收窗口大小。如果接收窗口已经变大，发送方就可以恢复正常的数据发送。
3. 拥塞控制机制

虽然拥塞控制不完全等同于流量控制，但它也是TCP确保数据传输效率的重要机制之一。TCP使用拥塞窗口来限制发送方的发送速率，以避免网络拥塞。当网络发生拥塞时，TCP会降低发送速率，以减少网络中的数据包数量。当网络状况改善时，TCP会逐渐增加发送速率，以提高数据传输效率。

4. 定时器与重传机制
‌超时重传‌：发送方在发送数据之后会启动一个计时器。如果在一定时间内没有收到接收方的确认信息，发送方会认为数据丢失并重新发送。通过超时重传机制，TCP可以确保数据的可靠传输。
‌持续计时器‌：如前所述，持续计时器用于在接收窗口为0时发送零窗口探测报文段，以打破由于非零窗口通知报文段丢失而引起的双方互相等待的死锁局面。

TCP通过滑动窗口机制、流量控制的动态调整、拥塞控制机制以及定时器与重传机制等多种手段来实现流量控制，确保数据在发送方和接收方之间的高效、可靠传输。

TCP 的拥塞控制是怎么实现的？

TCP（传输控制协议）的拥塞控制是通过动态调整发送速率来避免网络拥塞的。TCP的拥塞控制机制主要包括以下几种策略：慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快速重传（Fast Retransmit）和快速恢复（Fast Recovery）。这些策略的核心思想是通过动态调整拥塞窗口（cwnd）的大小来控制数据的发送速率。以下是TCP拥塞控制的具体实现方式：

1. 慢启动（Slow Start）
‌初始阶段‌：当一个TCP连接建立时，拥塞窗口（cwnd）会被初始化为一个较小的值（通常是MSS，即最大报文段长度）。此时，发送方会以指数级的速度增加发送速率。具体来说，每当收到一个ACK（确认应答）时，cwnd的大小就会加倍，这意味着发送方可以发送的数据量会呈指数级增长。
‌阈值判断‌：当cwnd的大小达到慢启动阈值（ssthresh）时，TCP连接就会从慢启动阶段过渡到拥塞避免阶段。
2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）
‌线性增长‌：在拥塞避免阶段，cwnd的大小会以线性增长的方式缓慢增加。每当成功发送与cwnd大小等量的数据并收到ACK确认后，cwnd的大小就会增加1（而不是加倍）。这样，发送速率的增长就会变得相对保守，有助于避免网络拥塞。
‌重传调整‌：如果在拥塞避免阶段发生丢包事件（如超时重传或快速重传），TCP就会将ssthresh的值设置为当前cwnd大小的一半，并将cwnd重置为1MSS，然后重新进入慢启动阶段。这样做是为了降低发送速率，以应对可能的网络拥塞。
3. 快速重传（Fast Retransmit）
‌重复ACK检测‌：如果发送方收到接收方对同一条报文的三次冗余确认（即四次确认），就会触发快速重传机制。这表明接收方已经收到了该报文之后的一些报文，但缺失了这条报文。发送方会立即重传这条报文，而不是等待超时。
‌快速恢复‌：在快速重传之后，TCP会进入快速恢复阶段。此时，发送方会将cwnd的大小设置为ssthresh的值，并开始以线性增长的方式缓慢增加cwnd。这样做是为了在不完全停止发送数据的情况下快速恢复网络拥塞状态。
4. 拥塞窗口（cwnd）的调整
‌发送窗口大小‌：TCP的发送窗口大小实际上是由接收窗口（rwnd）和拥塞窗口（cwnd）共同决定的。发送方会取这两个窗口中的最小值作为实际的发送窗口大小。
‌动态调整‌：TCP的拥塞控制机制会根据网络的实际状况动态调整cwnd的大小。当网络拥塞时，cwnd会减小以降低发送速率；当网络通畅时，cwnd会增加以提高发送速率。
注意事项
‌端到端拥塞控制‌：TCP的拥塞控制是一种端到端的机制，由发送方和接收方共同协作完成。发送方根据接收方的反馈和网络状况来动态调整发送速率。
‌网络辅助的拥塞控制‌：在某些情况下，网络中的路由器也可以向发送方提供拥塞信息，帮助发送方更好地调整发送速率。然而，这种方式并不是TCP拥塞控制的主要手段。

通过上述策略，TCP能够有效地控制数据的发送速率，避免网络拥塞的发生，从而确保数据传输的可靠性和效率。

了解ARQ 协议吗?

‌ARQ（Automatic Repeat reQuest）协议是一种在不可靠的网络上实现可靠通信的自动重传请求协议‌。它属于OSI模型中数据链路层的错误纠正协议之一‌，也有说法认为它属于传输层的错误纠正协议‌。

ARQ协议的工作原理是在发送端将信息进行检错编码，然后将检错码经信道发送至接收端。接收端译码后判断是否有错，若有错，则要求发送端重传，直至传送正确；若无错，则发送无错确认信号给发送端‌。

ARQ协议主要包括以下几种类型：

‌停止等待ARQ协议‌：发送站发出一个帧后必须等待应答信号，收到肯定应答信号ACK后继续发下一个帧；收到否定应答信号NAK后重发该帧，在一定的时间间隔内没有收到应答信号也必须重发该帧‌。

‌连续ARQ协议‌：发送方维持着一个一定大小的发送窗口，位于发送窗口内的所有分组都可连续发送出去，而中途不需要等待对方的确认。接收方采用积累确认的方式，对按序到达的最后一个分组发送确认，表示到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。如果发送方发送了多个分组，而中间某个分组丢失，接收方只对前两个分组发出确认，发送方则需要重传丢失分组及其之后的所有分组，这叫做Go-back-N（回退N）策略‌。

‌选择重发ARQ协议‌：这是ARQ协议的另一种形式，它允许发送方只重传出错的分组，而不是像连续ARQ协议那样重传所有未确认的分组。这种方式可以提高传输效率，但需要更复杂的缓冲和管理机制‌。

ARQ协议的主要优点是检错方式简单，以及能在非常低的错误概率下根据信道质量动态调整传信率。然而，它也有一些缺点，如要求有可靠的反馈信道、可能引起较长且不固定的传输时延，以及要求传输系统对信源进行控制等‌。

总的来说，ARQ协议是一种重要的网络通信协议，它通过自动重传请求的方式确保了数据的可靠传输。在实际应用中，根据具体的通信需求和网络环境，可以选择适合的ARQ协议类型来优化数据传输效率和可靠性。

选择重发ARQ协议如何减少传输时延？

选择重发ARQ（Selective Repeat ARQ）协议是一种用于在不可靠信道上实现可靠数据传输的通信协议。它通过仅重传出错的数据包而不是所有未确认的数据包来减少传输时延。以下是选择重发ARQ协议如何减少传输时延的具体方式：

‌避免不必要的数据包重传‌：

在连续ARQ（如Go-back-N ARQ）协议中，一旦检测到数据包丢失或出错，发送方需要重传从丢失包开始的所有后续包。这会导致大量已经正确传输的数据包被不必要地重传。
选择重发ARQ协议则不同，它只重传出错的数据包。这样，已经正确接收的数据包不需要被重传，从而减少了传输时延。

‌提高传输效率‌：

通过仅重传错误的数据包，选择重发ARQ协议避免了连续ARQ协议中可能出现的“排头阻塞”问题。在连续ARQ中，一个数据包的丢失会阻塞其后所有数据包的传输，直到丢失的数据包被重传并正确接收。
选择重发ARQ协议允许接收方继续接收并确认后续正确传输的数据包，而不受前面错误数据包的影响。这提高了传输效率，减少了整体传输时延。

‌减少重传次数‌：

在选择重发ARQ协议中，每个数据包都有独立的确认和重传机制。这意味着如果一个数据包出错，它只会被重传一次（或多次，直到成功传输），而其他数据包不会受到影响。
这与连续ARQ协议相比，减少了重传的次数和范围，从而降低了传输时延。

‌利用接收缓存‌：

选择重发ARQ协议在接收端通常需要一个缓存区来存储乱序到达的数据包。这些数据包在接收到所有缺失的数据包之前不会被递交给上层协议。
虽然接收缓存增加了接收端的复杂性，但它允许接收方继续接收并缓存后续的数据包，而不是等待出错的数据包被重传。这减少了传输时延，尤其是在数据包丢失或出错较为频繁的情况下。

选择重发ARQ协议通过仅重传出错的数据包、提高传输效率、减少重传次数以及利用接收缓存等方式，有效地减少了传输时延。这使得选择重发ARQ协议在需要高可靠性和低时延的通信场景中非常有用，如视频传输、实时通信等。