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03 TCP 概述 - 可靠的、面向连接的、基于字节流、全双工的协议 ​

如果要用一句话来描述 TCP 协议，我想应该是：TCP 是一个可靠的（reliable）、面向连接的（connection-oriented）、基于字节流（byte-stream）、全双工的（full-duplex）协议。

01 TCP 是面向连接的协议 ​

一开始学习 TCP 的时候，我们就被告知 TCP 是面向连接的协议，那什么是面向连接，什么是无连接呢？

  • 面向连接（connection-oriented）：面向连接的协议要求正式发送数据之前需要通过「握手」建立一个逻辑连接，结束通信时也是通过有序的四次挥手来断开连接。
  • 无连接（connectionless）：无连接的协议则不需要

三次握手 ​

建立连接的过程是通过「三次握手」来完成的，顾名思义，通过三次数据交换建立一个连接。通过三次握手协商好双方后续通信的起始序列号、窗口缩放大小等信息。

如下图所示

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02 TCP 协议是可靠的 ​

IP 是一种无连接、不可靠的协议：它尽最大可能将数据报从发送者传输给接收者，但并不保证包到达的顺序会与它们被传输的顺序一致，也不保证包是否重复，甚至都不保证包是否会达到接收者。

TCP 要想在 IP 基础上构建可靠的传输层协议，必须有一个复杂的机制来保障可靠性。主要有下面几个方面：

  • 对每个包提供校验和
  • 包的序列号解决了接收数据的乱序、重复问题
  • 超时重传
  • 流量控制、拥塞控制

校验和（checksum） 每个 TCP 包首部中都有两字节用来表示校验和，防止在传输过程中有损坏。如果收到一个校验和有差错的报文，TCP 不会发送任何确认直接丢弃它，等待发送端重传。

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包的序列号保证了接收数据的乱序和重复问题 假设我们往 TCP 套接字里写 3000 字节的数据导致 TCP 发送了 3 个数据包，每个数据包大小为 1000 字节：第一个包序列号为 [11001)，第二个包序列号为 [10012001)，第三个包序号为 [2001~3001)

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假如因为网络的原因导致第二个、第三个包先到接收端，第一个包最后才到，接收端也不会因为他们到达的顺序不一致把包弄错，TCP 会根据他们的序号进行重新的排列然后把结果传递给上层应用程序。

如果 TCP 接收到重复的数据，可能的原因是超时重传了两次但这个包并没有丢失，接收端会收到两次同样的数据，它能够根据包序号丢弃重复的数据。

超时重传 TCP 发送数据后会启动一个定时器，等待对端确认收到这个数据包。如果在指定的时间内没有收到 ACK 确认，就会重传数据包，然后等待更长时间，如果还没有收到就再重传，在多次重传仍然失败以后，TCP 会放弃这个包。后面我们讲到超时重传模块的时候会详细介绍这部分内容。

流量控制、拥塞控制 这部分内容较复杂，后面有专门的文章进行讲解，这里先不展开。

03 TCP 是面向字节流的协议 ​

TCP 是一种字节流（byte-stream）协议，流的含义是没有固定的报文边界。

假设你调用 2 次 write 函数往 socket 里依次写 500 字节、800 字节。write 函数只是把字节拷贝到内核缓冲区，最终会以多少条报文发送出去是不确定的，如下图所示

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  • 情况 1：分为两条报文依次发出去 500 字节 和 800 字节数据，也有
  • 情况 2：两部分数据合并为一个长度为 1300 字节的报文，一次发送
  • 情况 3：第一部分的 500 字节与第二部分的 500 字节合并为一个长度为 1000 字节的报文，第二部分剩下的 300 字节单独作为一个报文发送
  • 情况 4：第一部分的 400 字节单独发送，剩下 100 字节与第二部分的 800 字节合并为一个 900 字节的包一起发送。
  • 情况 N：还有更多可能的拆分组合

上面出现的情况取决于诸多因素：路径最大传输单元 MTU、发送窗口大小、拥塞窗口大小等。

当接收方从 TCP 套接字读数据时，它是没法得知对方每次写入的字节是多少的。接收端可能分 2 次每次 650 字节读取，也有可能先分三次，一次 100 字节，一次 200 字节，一次 1000 字节进行读取。

04 TCP 是全双工的协议 ​

在 TCP 中发送端和接收端可以是客户端/服务端，也可以是服务器/客户端，通信的双方在任意时刻既可以是接收数据也可以是发送数据，每个方向的数据流都独立管理序列号、滑动窗口大小、MSS 等信息。

05 小结与思考 ​

TCP 是一个可靠的（reliable）、面向连接的（connection-oriented）、基于字节流（byte-stream）、全双工（full-duplex）的协议。发送端在发送数据以后启动一个定时器，如果超时没有收到对端确认会进行重传，接收端利用序列号对收到的包进行排序、丢弃重复数据，TCP 还提供了流量控制、拥塞控制等机制保证了稳定性。

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留一个思考题，这个题目也是《TCP/IP》详解中的一个习题。

TCP 提供了一种字节流服务，而收发双方都不保持记录的边界，应用程序应该如何提供他们自己的记录标识呢？

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