TCP协议可靠性保障机制详解

题目描述
TCP协议的可靠性保障机制是网络通信的核心基础，它通过多种技术手段确保数据在不可靠的IP网络上能够有序、无差错地传输。面试中常要求系统阐述TCP如何实现可靠性，包括但不限于序列号、确认机制、重传策略、流量控制等核心组件。

一、可靠性基础：序列号与确认机制

1. 序列号（Sequence Number）

   • 每个字节的数据都会被分配一个唯一的序列号，标识数据在数据流中的位置。
   • 作用：解决数据包乱序问题，使接收方能按正确顺序重组数据。
   • 例如：发送方发送数据段SEQ=1, LEN=100，下一个数据段序列号从101开始。

2. 确认应答（ACK）

   • 接收方收到数据后，会回复一个ACK包，包含ACK=下一个期望接收的序列号。
   • 例如：收到SEQ=1, LEN=100的数据后，回复ACK=101，表示已正确接收1-100字节，期望从101开始接收。
   • 累积确认：若收到乱序数据包（如先收到SEQ=201），接收方仍回复最近连续接收的ACK（如ACK=101），触发发送方重传缺失部分。

二、丢包处理：超时重传与快速重传

1. 超时重传（RTO）

   • 发送方发出数据后启动定时器，若在RTO时间内未收到ACK，则重传数据。
   • RTO值动态计算：基于RTT（往返时间）采样，通过加权平均避免网络抖动影响。
   • 缺点：等待超时可能延长恢复时间。

2. 快速重传（Fast Retransmit）

   • 接收方收到乱序数据时，会立即重复发送最近一次的ACK（如连续发送3次ACK=101）。
   • 发送方收到3个重复ACK时，无需等待超时，直接重传缺失数据段（如SEQ=101）。
   • 优势：大幅减少重传延迟，提升效率。

三、流量控制：滑动窗口机制

1. 接收窗口（RWND）

   • 接收方通过TCP首部的Window字段告知发送方自身剩余缓冲区大小。
   • 发送方需保证未确认数据量不超过RWND，避免接收方缓冲区溢出。

2. 滑动窗口运作

   • 窗口分为四部分：已发送已确认 | 已发送未确认 | 可发送未发送 | 不可发送。
   • 随着ACK到达，窗口向右“滑动”，允许发送新数据。
   • 若RWND=0，发送方暂停发送，并周期性发送探测包查询窗口状态。

四、拥塞控制：网络资源公平分配

1. 慢启动（Slow Start）

   • 初始拥塞窗口（CWND）=1 MSS（最大报文段长度），每收到一个ACK，CWND指数增长（翻倍）。
   • 目的：快速探测网络可用带宽。

2. 拥塞避免（AIMD）

   • 当CWND达到慢启动阈值（ssthresh）时，进入线性增长阶段（每RTT增加1 MSS）。
   • 发生超时重传时，ssthresh降为当前CWND的一半，CWND重置为1，重新慢启动。

3. 快速恢复（Fast Recovery）

   • 针对快速重传的优化：重传后CWND=ssthresh+3 MSS，之后每收到一个重复ACK则CWND+1 MSS。
   • 收到新数据的ACK后，CWND恢复至ssthresh，进入拥塞避免阶段。

五、完整性校验与连接管理

1. 校验和（Checksum）

   • TCP首部和数据均计算校验和，接收方验证失败则丢弃包，触发重传。

2. 连接建立与终止

   • 三次握手确保双方序列号同步，四次挥手保证数据完全传输后才断开连接。

总结
TCP可靠性是多重机制协同作用的结果：序列号与ACK保证顺序，重传机制解决丢包，滑动窗口控制流量，拥塞算法避免网络过载。这些机制共同构成了TCP面向连接、可靠传输的核心特性。