lv7 嵌入式开发-网络编程开发 10 TCP协议是如何实现可靠传输的-编程知识

1 TCP 最主要的特点

1.1 特点

1.2 面向流的概念

1.3 Socket 有多种不同的意思

2 TCP是如何实现可靠传输的？

3 TCP报文段的首部格式

4 作业

1 TCP 最主要的特点

TCP 是面向连接的运输层协议，在无连接的、不可靠的 IP 网络服务基础之上提供可靠交付的服务。为此，在 IP 的数据报服务基础之上，增加了保证可靠性的一系列措施。

1.1 特点

TCP 是面向连接的运输层协议。每一条 TCP 连接只能有两个端点 (endpoint)，每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。
TCP 提供可靠交付的服务。
TCP 提供全双工通信。
面向字节流。TCP 中的“流”(stream) 指的是流入或流出进程的字节序列。面向字节流：虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串无结构的字节流。

1.2 面向流的概念

1.3 Socket 有多种不同的意思

应用编程接口 API 称为 socket API, 简称为 socket。
socket API 中使用的一个函数名也叫作 socket。
调用 socket 函数的端点称为 socket。
调用 socket 函数时其返回值称为 socket 描述符，可简称为 socket。

2 TCP是如何实现可靠传输的？

每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。
全双工通信的双方既是发送方也是接收方。
假设仅考虑 A 发送数据，而 B 接收数据并发送确认。因此 A 叫做发送方，而 B 叫做接收方。

A 发送完分组 M1 后就暂停发送，等待 B 的确认 (ACK)。
B 收到 M1 向 A 发送 ACK。
A 在收到了对 M1 的确认后，就再发送下一个分组 M2。

A 如何知道 B 是否正确收到了 M1 呢？

解决方法：超时重传

A 为每一个已发送的分组设置一个超时计时器。
A 只要在超时计时器到期之前收到了相应的确认，就撤销该超时计时器，继续发送下一个分组 M2 。
若 A 在超时计时器规定时间内没有收到 B 的确认，就认为分组错误或丢失，就重发该分组。

确认丢失

若 B 所发送的对 M1 的确认丢失了，那么 A 在设定的超时重传时间内将不会收到确认，因此 A 在超时计时器到期后重传 M1。
假定 B 正确收到了 A 重传的分组 M1。这时 B 应采取两个行动：

(1) 丢弃这个重复的分组 M1，不向上层交付。

(2) 向 A 发送确认。

确认迟到

B 对分组 M1 的确认迟到了，因此 A 在超时计时器到期后重传 M1。
B 会收到重复的 M1，丢弃重复的 M1，并重传确认分组。
A 会收到重复的确认。对重复的确认的处理：丢弃。

提高传输效率：流水线传输

连续 ARQ 协议

发送窗口：发送方维持一个发送窗口，位于发送窗口内的分组都可被连续发送出去，而不需要等待对方的确认。
发送窗口滑动：发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。
累积确认：接收方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。

3 TCP报文段的首部格式

TCP包头（TCP Header）是TCP协议在数据传输过程中的一个固定长度的头部信息，用于标识和管理TCP连接。TCP包头通常由以下字段组成：

源端口号（Source Port）和目标端口号（Destination Port）：表示源主机和目标主机的端口号，用于标识应用程序之间的通信。
序列号（Sequence Number）：用于标识发送数据的顺序，每个TCP段都有一个唯一的序列号。
确认号（Acknowledgment Number）：用于确认已成功接收的数据段序列号，表示下一个期望接收的数据段的起始位置。
数据偏移（Data Offset）：表示TCP包头的长度，以4字节为单位，即指明TCP包头有多少个4字节的长度。
控制位（Flags）：包括ACK（确认）、SYN（同步）、FIN（结束）等标志位，用于控制连接的建立、终止和数据的传输等。URG代表紧急指针有效：
1. 第一个比特位：URG，表示紧急指针是否有效。若该位为1，则紧急指针有效，接收方应当尽快处理紧急数据。
2. 第二个比特位：ACK，表示确认号是否有效。若该位为1，则确认号有效，表示已经成功接收了之前发送方发来的数据。
3. 第三个比特位：PSH，表示是否立即推送数据。若该位为1，则在发送方有数据时应立即将这些数据发送出去，而不需要等到缓存区满后再进行发送。
4. 第四个比特位：RST，表示复位连接。若该位为1，则表示连接错误或异常情况，需要立即终止连接并重置连接状态。
5. 第五个比特位：SYN，表示是否同步序列号。若该位为1，则表示发送方打算开始建立连接，并且此时序列号必须设置为随机数。
6. 第六个比特位：FIN，表示结束连接。若该位为1，则表示发送方已经不会再有数据需要发送，要求终止连接。
窗口大小（Window Size）：用于流量控制，表示接收方还能接收的数据量。
校验和（Checksum）：用于检测TCP包头和数据的完整性，防止数据在传输过程中被篡改。
紧急指针（Urgent Pointer）：仅在紧急数据存在时使用，指明紧急数据的末尾位置。
选项（Options）：可选字段，用于定义一些附加的功能或参数。

TCP包头的长度固定为20个字节，如果有选项字段，则长度可能会增加。TCP包头紧跟在IP包头之后，以便进行传输和解析。通过解析TCP包头，接收方可以正确地处理数据的顺序、确认已接收的数据等，从而实现可靠的数据传输。

下面是一个TCP包头的示例：

00 50 8D B1 0C 57 00 02
F7 6E 06 A5 C9 68 A8 C7
80 18 00 E5 8B DB 00 00
01 01 08 0A 27 A0 67 C3
4C D2 7F 34

其中，前20个字节为TCP包头，各字段的意义如下：

源端口号：00 50 (十进制为80)
目标端口号：8D B1 (十进制为36273)
序列号：0C 57 00 02 (十进制为507586)
确认号：F7 6E 06 A5 (十进制为4152630613)
数据偏移：C (即12，表示包头长度为12*4=48字节)
控制位：C9 (分别对应着ACK、PSH、SYN这三个控制位)
窗口大小：68 A8 (十进制为26728)
校验和：80 18 (经过校验计算后得到的结果)
紧急指针：00 00 (紧急指针无效，该字段不需要使用)
选项：包括MSS、SACK、窗口扩大因子等选项，由于该示例中没有使用任何选项，该字段为空。

4 作业

简述TCP实现可靠传输的原理？

序列号与确认机制：每个TCP报文段都有一个序列号，用于标识发送方发送的数据。接收方会对正确接收到的数据进行确认，即发送一个确认报文，其中包含期望接收的下一个序列号。如果发送方在合理的时间内未收到确认，则会重新发送之前的数据。
超时重传：发送方在发送数据后会启动一个定时器，并等待接收方的确认。如果定时器超时，发送方会认为数据丢失，会重新发送该数据。
流量控制：TCP使用滑动窗口机制来控制流量。接收方通过发送窗口通知发送方当前可接受的数据量，以防止发送方发送过多的数据导致接收方无法及时处理。发送方根据接收方的窗口大小来控制发送速率。
拥塞控制：TCP使用拥塞控制算法来避免网络拥塞。发送方根据网络的拥塞情况动态调整发送速率。如果发现网络出现拥塞，发送方会降低发送速率以减轻网络负载，反之则逐渐增加发送速率。
确认应答：接收方必须对数据进行确认，以确保发送方正确地接收到数据。接收方会根据接收到的数据发送确认报文，通知发送方已经成功接收到数据