TCP简介及特性-编程知识

1. TCP协议简介

TCP是Transmission Control Protocol的简称，中文名是传输控制协议。它是一种面向连接的、可靠的、基于IP的传输层协议。两个TCP应用之间在传输数据的之前必须建立一个TCP连接，TCP采用数据流的形式在网络中传输数据。TCP为了保证报文传输的可靠性，会对每一个包进行编号，同时序号也能保证接收端在接收数据的时候可以按序接收。接收端在接到数据后会返回一个相应的应答信号，如果发送端在合理的往返延时内未接收到应答信号，那么对应的数据将会重传。在数据确认无误后才会将数据传递给应用层。

2. TCP的特性

2.1 连接机制

TCP是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一个连接，否则将无法发送数据，一个TCP连接必须有双方IP地址与端口号。

2.2 确认与重传

一个完整的TCP传输必须有数据的交互，接收方在接收到数据之后必须正面进行确认，向发送方报告接收的结果，而发送方在发送数据之后必须等待接收方的确认，同时发送时候会启动一个定时器，在指定超时时间内没收到确认，发送方就会认为发送失败，然后进行重发操作，这就是重传报文。

TCP提供可靠的传输层，但它依赖的是IP层的服务，IP数据报的传输是无连接、不可靠的，因此它要通过确认来知道接收方确实已经收到数据了。但数据和确认都有可能会丢失，因此TCP通过在发送时设置一个超时机制（定时器）来解决这种问题，如果当超时时间到达的时候还没有收到对方的确认，它就重传该数据。

2.3 缓冲机制

在发送方想要发送数据的时候，由于应用程序的数据大小、类型都是不可预估的，而TCP协议提供了缓冲机制来处理这些数据，如在数据量很小的时候，TCP会将数据存储在一个缓冲空间中，等到数据量足够大的时候在进行发送数据，这样子能提高传输的效率并且减少网络中的通信量，而且在数据发送出去的时候并不会立即删除数据，还是让数据保存在缓冲区中，因为发送出去的数据不一定能被接收方正确接收，它需要等待到接收方的确认再将数据删除。同样的，在接收方也需要有同样的缓冲机制，因为在网络中传输的数据报到达的时间是不一样的，而且TCP协议还需要把这些数据报组装成完整的数据，然后再递交到应用层中。

2.4 全双工通讯

在TCP连接建立后，那么两个主机就是对等的，任何一个主机都可以向另一个主机发送数据，数据是双向流通的，所以TCP协议是一个全双工的协议，这种机制为TCP协议传输数据带来很大的方便，一般来说，TCP协议的确认是通过捎带的方式来实现，即接收方把确认信息放到反向传来的是数据报文中，不必单独为确认信息申请一个报文，捎带机制减少了网络中的通信流量。由于双方主机是对等的存在，那么容易一方都可以断开连接，此时这个方向上的数据流就断开了，但是另一个方向上的数据仍是连通的状态，这种情况就称之为半双工。

2.5 流量控制

TCP提供了流量控制服务（flow-control service）以消除发送方使接收方缓冲区溢出的可能性。流量控制是一个速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读取速率相匹配，TCP通过让发送方维护一个称为接收窗口（receive window）的变量来提供流量控制，是的，你没看错，是接收窗口（rwnd），它用于给发送方一个指示：接收方还能接收多少数据，接收方会将此窗口值放在TCP报文的首部中的窗口字段，然后传递给发送方，这个窗口的大小是在发送数据的时候动态调整的。当接收方主机的接收窗口为0时，发送方继续发送只有一个字节的报文段，这些报文段将被接收方接收，直到缓存清空，并在确认报文中包含一个非0的接收窗口值。

2.6 差错控制

除了确认与重传之外，TCP协议也会采用校验和的方式来检验数据的有效性，主机在接收数据的时候，会将重复的报文丢弃，将乱序的报文重组，发现某段报文丢失了会请求发送方进行重发，因此在TCP往上层协议递交的数据是顺序的、无差错的完整数据。

2.7 拥塞控制

当数据从一个大的管道（如一个快速局域网）向一个较小的管道（如一个较慢的广域网）发送时便会发生拥塞。当多个输入流到达一个路由器，而路由器的输出流小于这些输入流的总和时也会发生拥塞，这种是网络状况的原因。如果一个主机还是以很大的流量给另一个主机发送数据，但是其中间的路由器通道很小，无法承受这样大的数据流量的时候，就会导致拥塞的发生，这样子就导致了接收方无法在超时时间内完成接收（接收方此时完全有能力处理大量数据），而发送方又进行重传，这样子就导致了链路上的更加拥塞，延迟发送方必须实现一直自适应的机制，在网络中拥塞的情况下调整自身的发送速度，这种形式对发送方的控制被称为拥塞控制（congestion control）。