你是一臺(tái)電腦，你的名字叫 A

只要你知道另一位伙伴 B 的 IP 地址，且你們之間的網(wǎng)絡(luò)是通的，無論多遠(yuǎn)，你都可以將一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給你的伙伴 B

這就是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層這三層所做的事情。 站在第四層的你，就可以不要臉地利用下三層所做的鋪墊，隨心所欲地發(fā)送數(shù)據(jù)，而不必?fù)?dān)心找不到對(duì)方了。

雖然你此時(shí)還什么都沒干，但你還是給自己這一層起了個(gè)響亮的名字，叫做傳輸層。 你本以為自己所在的第四層萬事大吉，啥事沒有，但很快問題就接踵而至。

問題來了

然后你在要發(fā)送的數(shù)據(jù)包上，增加了傳輸層的頭部，源端口號(hào)與目標(biāo)端口號(hào)。

OK，這樣你將原本主機(jī)到主機(jī)的通信，升級(jí)為了進(jìn)程和進(jìn)程之間的通信。 你沒有意識(shí)到，你不知不覺實(shí)現(xiàn)了 UDP 協(xié)議！ （當(dāng)然 UDP 協(xié)議中不光有源端口和目標(biāo)端口，還有數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和校驗(yàn)值，我們暫且略過） 就這樣，你用 UDP 協(xié)議無憂無慮地同 B 進(jìn)行著通信，一直沒發(fā)生什么問題。

但很快，你發(fā)現(xiàn)事情變得非常復(fù)雜......

丟包問題

由于網(wǎng)絡(luò)的不可靠，數(shù)據(jù)包可能在半路丟失，而 A 和 B 卻無法察覺。

對(duì)于丟包問題，只要解決兩個(gè)事就好了。 第一個(gè)，A 怎么知道包丟了？ 答案：讓 B 告訴 A 第二個(gè)，丟了的包怎么辦？ 答案：重傳 于是你設(shè)計(jì)了如下方案，A 每發(fā)一個(gè)包，都必須收到來自 B 的確認(rèn)（ACK），再發(fā)下一個(gè)，否則在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)，就重傳這個(gè)包。

你管它叫停止等待協(xié)議。只要按照這個(gè)協(xié)議來，雖然 A 無法保證 B 一定能收到包，但 A 能夠確認(rèn) B 是否收到了包，收不到就重試，盡最大努力讓這個(gè)通信過程變得可靠，于是你們現(xiàn)在的通信過程又有了一個(gè)新的特征，可靠交付。

效率問題

停止等待雖然能解決問題，但是效率太低了，A 原本可以在發(fā)完第一個(gè)數(shù)據(jù)包之后立刻開始發(fā)第二個(gè)數(shù)據(jù)包，但由于停止等待協(xié)議，A 必須等數(shù)據(jù)包到達(dá)了 B ，且 B 的 ACK 包又回到了 A，才可以繼續(xù)發(fā)第二個(gè)數(shù)據(jù)包，這效率慢得可不是一點(diǎn)兩點(diǎn)。 于是你對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行了改進(jìn)，采用流水線的方式，不再傻傻地等。

順序問題

但是網(wǎng)路是復(fù)雜的、不可靠的。 有的時(shí)候 A 發(fā)出去的數(shù)據(jù)包，分別走了不同的路由到達(dá) B，可能無法保證和發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)一樣的順序。

在流水線中有多個(gè)數(shù)據(jù)包和ACK包在亂序流動(dòng)，他們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系就亂掉了。 難道還回到停止等待協(xié)議？A 每收到一個(gè)包的確認(rèn)（ACK）再發(fā)下一個(gè)包，那就根本不存在順序問題。應(yīng)該有更好的辦法！ A 在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中增加一個(gè)序號(hào)（seq），同時(shí) B 要在 ACK 包上增加一個(gè)確認(rèn)號(hào)（ack），這樣不但解決了停止等待協(xié)議的效率問題，也通過這樣標(biāo)序號(hào)的方式解決了順序問題。

而 B 這個(gè)確認(rèn)號(hào)意味深長(zhǎng)：比如 B 發(fā)了一個(gè)確認(rèn)號(hào)為 ack = 3，它不僅僅表示 A 發(fā)送的序號(hào)為 2 的包收到了，還表示 2 之前的數(shù)據(jù)包都收到了。這種方式叫累計(jì)確認(rèn)或累計(jì)應(yīng)答。

注意，實(shí)際上 ack 的號(hào)是收到的最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的序號(hào) seq + 1，也就是告訴對(duì)方下一個(gè)應(yīng)該發(fā)的序號(hào)是多少。但圖中為了便于理解，ack 就表示收到的那個(gè)序號(hào)，不必糾結(jié)。

流量問題

有的時(shí)候，A 發(fā)送數(shù)據(jù)包的速度太快，而 B 的接收能力不夠，但 B 卻沒有告知 A 這個(gè)情況。

怎么解決呢？ 很簡(jiǎn)單，B 告訴 A 自己的接收能力，A 根據(jù) B 的接收能力，相應(yīng)控制自己的發(fā)送速率，就好了。 B 怎么告訴 A 呢？B 跟 A 說"我很強(qiáng)"這三個(gè)字么？那肯定不行，得有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范。 于是 B 決定，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包給 A 時(shí)，順帶傳過來一個(gè)值，叫窗口大小（win)，這個(gè)值就表示 B 的接收能力。同理，每次 A 給 B 發(fā)包時(shí)也帶上自己的窗口大小，表示 A 的接收能力。

B 告訴了 A 自己的窗口大小值，A 怎么利用它去做 A 這邊發(fā)包的流量控制呢？ 很簡(jiǎn)單，假如 B 給 A 傳過來的窗口大小 win = 5，那 A 根據(jù)這個(gè)值，把自己要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成這么幾類。

圖片過于清晰，就不再文字解釋了。 當(dāng) A 不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，已發(fā)送的最后一個(gè)序號(hào)就往右移動(dòng)，直到碰到了窗口的上邊界，此時(shí) A 就無法繼續(xù)發(fā)包，達(dá)到了流量控制。

但是當(dāng) A 不斷發(fā)包的同時(shí)，A 也會(huì)收到來自 B 的確認(rèn)包，此時(shí)整個(gè)窗口會(huì)往右移動(dòng)，因此上邊界也往右移動(dòng)，A 就能發(fā)更多的數(shù)據(jù)包了。

以上都是在窗口大小不變的情況下，而 B 在發(fā)給 A 的 ACK 包中，每一個(gè)都可以重新設(shè)置一個(gè)新的窗口大小，如果 A 收到了一個(gè)新的窗口大小值，A 會(huì)隨之調(diào)整。 如果 A 收到了比原窗口值更大的窗口大小，比如 win = 6，則 A 會(huì)直接將窗口上邊界向右移動(dòng) 1 個(gè)單位。

如果 A 收到了比原窗口值小的窗口大小，比如 win = 4，則 A 暫時(shí)不會(huì)改變窗口大小，更不會(huì)將窗口上邊界向左移動(dòng)，而是等著 ACK 的到來，不斷將左邊界向右移動(dòng)，直到窗口大小值收縮到新大小為止。

OK，終于將流量控制問題解決得差不多了，你看著上面一個(gè)個(gè)小動(dòng)圖，給這個(gè)窗口起了一個(gè)更生動(dòng)的名字，滑動(dòng)窗口。

擁塞問題

但有的時(shí)候，不是 B 的接受能力不夠，而是網(wǎng)絡(luò)不太好，造成了網(wǎng)絡(luò)擁塞。

擁塞控制與流量控制有些像，但流量控制是受 B 的接收能力影響，而擁塞控制是受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響。 擁塞控制的解決辦法依然是通過設(shè)置一定的窗口大小，只不過，流量控制的窗口大小是 B 直接告訴 A 的，而擁塞控制的窗口大小按理說就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境主動(dòng)告訴 A。 但網(wǎng)絡(luò)環(huán)境怎么可能主動(dòng)告訴 A 呢？只能 A 單方面通過試探，不斷感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞，進(jìn)而確定自己的擁塞窗口的大小。

擁塞窗口大小的計(jì)算有很多復(fù)雜的算法，就不在本文中展開了，假如擁塞窗口的大小為  cwnd，上一部分流量控制的滑動(dòng)窗口的大小為 rwnd，那么窗口的右邊界受這兩個(gè)值共同的影響，需要取它倆的最小值。 窗口大小 = min(cwnd, rwnd) 含義很容易理解，當(dāng) B 的接受能力比較差時(shí)，即使網(wǎng)絡(luò)非常通暢，A 也需要根據(jù) B 的接收能力限制自己的發(fā)送窗口。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較差時(shí)，即使 B 有很強(qiáng)的接收能力，A 也要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況來限制自己的發(fā)送窗口。正所謂受其短板的影響嘛~

連接問題

有的時(shí)候，B 主機(jī)的相應(yīng)進(jìn)程還沒有準(zhǔn)備好或是掛掉了，A 就開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致了浪費(fèi)。

這個(gè)問題在于，A 在跟 B 通信之前，沒有事先確認(rèn) B 是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，就開始發(fā)了一連串的信息。就好比你和另一個(gè)人打電話，你還沒有"喂"一下確認(rèn)對(duì)方有沒有在聽，你就巴拉巴拉說了一堆。 這個(gè)問題該怎么解決呢？ 地球人都知道，三次握手嘛！

A：我準(zhǔn)備好了(SYN)

B：我知道了(ACK)，我也準(zhǔn)備好了(SYN)

A：我知道了(ACK)

A 與 B 各自在內(nèi)存中維護(hù)著自己的狀態(tài)變量，三次握手之后，雙方的狀態(tài)都變成了連接已建立（ESTABLISHED）。 雖然就只是發(fā)了三次數(shù)據(jù)包，并且在各自的內(nèi)存中維護(hù)了狀態(tài)變量，但這么說總覺得太 low，你看這個(gè)過程相當(dāng)于雙方建立連接的過程，于是你靈機(jī)一動(dòng)，就叫它面向連接吧。 注意：這個(gè)連接是虛擬的，是由 A 和 B 這兩個(gè)終端共同維護(hù)的，在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根本就不知道連接這回事兒！ 但凡事有始就有終，有了建立連接的過程，就要考慮釋放連接的過程，又是地球人都知道，四次揮手嘛！

A：再見，我要關(guān)閉了(FIN)

B：我知道了(ACK)

給 B 一段時(shí)間把自己的事情處理完...

B：再見，我要關(guān)閉了(FIN)

A：我知道了(ACK)

總結(jié)

以上講述的，就是 TCP 協(xié)議的核心思想，上面過程中需要傳輸?shù)男畔?，就體現(xiàn)在 TCP 協(xié)議的頭部，這里放上最常見的 TCP 協(xié)議頭解讀的圖。

不知道你現(xiàn)在再看下面這句話，是否能理解： TCP 是 面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的 傳輸層通信協(xié)議 面向連接、可靠，這兩個(gè)詞通過上面的講述很容易理解，那什么叫做基于字節(jié)流呢？ 很簡(jiǎn)單，TCP 在建立連接時(shí)，需要告訴對(duì)方 MSS（最大報(bào)文段大?。?/span> 也就是說，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)很大，在 TCP 層是需要按照 MSS 來切割成一個(gè)個(gè)的 TCP 報(bào)文段 的。 切割的時(shí)候我才不管你原來的數(shù)據(jù)表示什么意思，需要在哪里斷句啥的，我就把它當(dāng)成一串毫無意義的字節(jié)，在我想要切割的地方咔嚓就來一刀，標(biāo)上序號(hào)，只要接收方再根據(jù)這個(gè)序號(hào)拼成最終想要的完整數(shù)據(jù)就行了。 在我 TCP 傳輸這里，我就把它當(dāng)做一個(gè)個(gè)的字節(jié)，也就是基于字節(jié)流的含義了。

最后留給大家一個(gè)作業(yè)，模擬 A 與 B 建立一個(gè) TCP 連接。

第一題：A 給 B 發(fā)送 "aaa" ，然后 B 給 A 回復(fù)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串 "success"，并將此過程抓包。

第二題：A 給 B 發(fā)送 "aaaaaa ... a" 超過最大報(bào)文段大小，然后 B 給 A 回復(fù)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串 "success"，并將此過程抓包。

三次握手階段

A -> B [SYN] Seq=0 Win=64240 Len=0

MSS=1460 WS=256

B - >A [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=29200 Len=0

MSS=1424 WS=512

A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=0

數(shù)據(jù)發(fā)送階段

A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=1424

A -> B [ACK] Seq=1425 Ack=1 Win=132352 Len=1424

A -> B [PSH, ACK] Seq=2849 Ack=1 Win=132352 Len=1247

B -> A [ACK] Seq=1 Ack=1425 Win=32256 Len=0

B -> A [ACK] Seq=1 Ack=2849 Win=35328 Len=0

B -> A [ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=0

B -> A [PSH, ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=7

四次揮手階段

B -> A [FIN, ACK] Seq=8 Ack=4096 Win=37888 Len=0

A -> B [ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0

A -> B [FIN, ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0（下面少?gòu)?fù)制了一行ACK，抱歉）
后記
一提到 TCP，可能很多人都想起被三次握手和四次揮手所支配的恐懼。但其實(shí)你跟著文中的思路你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，三次握手與四次揮手只占 TCP 所解決的核心問題中很小的一部分，只是因?yàn)樗诿嬖囍泻苓m合作為知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考察，所以在很多人的印象中就好像 TCP 的核心就是握手和揮手似的。
本文希望你能從問題出發(fā)，真正理解 TCP 所想要解決的問題，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多原理就好像生活常識(shí)一樣順其自然，并不復(fù)雜，希望你有收獲～

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