TCP協(xié)議、算法和原理的介紹

TCP 的那些事兒（上）

TCP是一個巨復(fù)雜的協(xié)議，因為他要解決很多問題，而這些問題又帶出了很多子問題和陰暗面。所以學(xué)習(xí)TCP本身是個比較痛苦的過程，但對于學(xué)習(xí)的過程卻能讓人有很多收獲。關(guān)于TCP這個協(xié)議的細(xì)節(jié)，我還是推薦你去看W.Richard Stevens的《TCP/IP 詳解 卷1：協(xié)議》（當(dāng)然，你也可以去讀一下RFC793以及后面N多的RFC）。另外，本文我會使用英文術(shù)語，這樣方便你通過這些英文關(guān)鍵詞來查找相關(guān)的技術(shù)文檔。

之所以想寫這篇文章，目的有三個，

一個是想鍛煉一下自己是否可以用簡單的篇幅把這么復(fù)雜的TCP協(xié)議描清楚的能力。

另一個是覺得現(xiàn)在的好多程序員基本上不會認(rèn)認(rèn)真真地讀本書，喜歡快餐文化，所以，希望這篇快餐文章可以讓你對TCP這個古典技術(shù)有所了解，并能體會到軟件設(shè)計中的種種難處。并且你可以從中有一些軟件設(shè)計上的收獲。

最重要的希望這些基礎(chǔ)知識可以讓你搞清很多以前一些似是而非的東西，并且你能意識到基礎(chǔ)的重要。

所以，本文不會面面俱到，只是對TCP協(xié)議、算法和原理的科普。

我本來只想寫一個篇幅的文章的，但是TCP真TMD的復(fù)雜，比C++復(fù)雜多了，這30多年來，各種優(yōu)化變種爭論和修改。所以，寫著寫著就發(fā)現(xiàn)只有砍成兩篇。

上篇中，主要向你介紹TCP協(xié)議的定義和丟包時的重傳機制。

下篇中，重點介紹TCP的流迭、擁塞處理。

廢話少說，首先，我們需要知道TCP在網(wǎng)絡(luò)OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP在第二層——Data Link層，在第二層上的數(shù)據(jù)，我們叫Frame，在第三層上的數(shù)據(jù)叫Packet，第四層的數(shù)據(jù)叫Segment。

首先，我們需要知道，我們程序的數(shù)據(jù)首先會打到TCP的Segment中，然后TCP的Segment會打到IP的Packet中，然后再打到以太網(wǎng)Ethernet的Frame中，傳到對端后，各個層解析自己的協(xié)議，然后把數(shù)據(jù)交給更高層的協(xié)議處理。

TCP頭格式

接下來，我們來看一下TCP頭的格式

TCP頭格式（圖片來源）

你需要注意這么幾點：

TCP的包是沒有IP地址的，那是IP層上的事。但是有源端口和目標(biāo)端口。

一個TCP連接需要四個元組來表示是同一個連接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）準(zhǔn)確說是五元組，還有一個是協(xié)議。但因為這里只是說TCP協(xié)議，所以，這里我只說四元組。

注意上圖中的四個非常重要的東西：

Sequence Number是包的序號，用來解決網(wǎng)絡(luò)包亂序（reordering）問題。

Acknowledgement Number就是ACK——用于確認(rèn)收到，用來解決不丟包的問題。

Window又叫AdverTIsed-Window，也就是著名的滑動窗口（Sliding Window），用于解決流控的。

TCP Flag ，也就是包的類型，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機的。

關(guān)于其它的東西，可以參看下面的圖示

TCP的狀態(tài)機

其實，網(wǎng)絡(luò)上的傳輸是沒有連接的，包括TCP也是一樣的。而TCP所謂的“連接”，其實只不過是在通訊的雙方維護一個“連接狀態(tài)”，讓它看上去好像有連接一樣。所以，TCP的狀態(tài)變換是非常重要的。

下面是：“TCP協(xié)議的狀態(tài)機”（圖片來源） 和 “TCP建鏈接”、“TCP斷鏈接”、“傳數(shù)據(jù)” 的對照圖，我把兩個圖并排放在一起，這樣方便在你對照著看。另外，下面這兩個圖非常非常的重要，你一定要記牢。（吐個槽：看到這樣復(fù)雜的狀態(tài)機，就知道這個協(xié)議有多復(fù)雜，復(fù)雜的東西總是有很多坑爹的事情，所以TCP協(xié)議其實也挺坑爹的）

很多人會問，為什么建鏈接要3次握手，斷鏈接需要4次揮手？

對于建鏈接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的雙方要互相通知對方自己的初始化的Sequence Number（縮寫為ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全稱Synchronize Sequence Numbers。也就上圖中的 x 和 y。這個號要作為以后的數(shù)據(jù)通信的序號，以保證應(yīng)用層接收到的數(shù)據(jù)不會因為網(wǎng)絡(luò)上的傳輸?shù)膯栴}而亂序（TCP會用這個序號來拼接數(shù)據(jù)）。