TCP 是互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議之一应狱，本文介紹它的基礎(chǔ)知識(shí)共郭。

互聯(lián)網(wǎng)

一.TCP協(xié)議的作用

互聯(lián)網(wǎng)由一整套協(xié)議構(gòu)成。TCP 只是其中的一層，有著自己的分工除嘹。

圖片說(shuō)明：TCP 是以太網(wǎng)協(xié)議和 IP 協(xié)議的上層協(xié)議写半，也是應(yīng)用層協(xié)議的下層協(xié)議

最底層的以太網(wǎng)協(xié)議（Ethernet）規(guī)定了電子信號(hào)如何組成數(shù)據(jù)包（packet），解決了子網(wǎng)內(nèi)部的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信尉咕。

以太網(wǎng)解決了局域網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

但是叠蝇，以太網(wǎng)協(xié)議不能解決多個(gè)局域網(wǎng)如何互通，這由 IP 協(xié)議解決年缎。

IP地址可以連接多個(gè)局域網(wǎng)

IP 協(xié)議定義了一套自己的地址規(guī)則悔捶，稱為 IP 地址。它實(shí)現(xiàn)了路由功能单芜，允許某個(gè)局域網(wǎng)的 A 主機(jī)蜕该，向另一個(gè)局域網(wǎng)的 B 主機(jī)發(fā)送消息。

路由器是基于IP協(xié)議洲鸠，局域網(wǎng)靠路由器連接

路由的原理很簡(jiǎn)單堂淡。市場(chǎng)上所有的路由器，背后都有很多網(wǎng)口坛怪，要接入多根網(wǎng)線淤齐。路由器內(nèi)部有一張路由表股囊，規(guī)定了 A 段 IP 地址走出口一袜匿，B 段地址走出口二，......通過(guò)這套"指路牌"稚疹，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)居灯。

本機(jī)路由表表明不同IP目的地的數(shù)據(jù)包，要發(fā)送到哪一個(gè)網(wǎng)口

IP 協(xié)議只是一個(gè)地址協(xié)議内狗，并不保證數(shù)據(jù)包的完整怪嫌。如果路由器丟包（比如緩存滿了，新進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包就會(huì)丟失）柳沙，就需要發(fā)現(xiàn)丟了哪一個(gè)包岩灭，以及如何重新發(fā)送這個(gè)包。這就要依靠 TCP 協(xié)議赂鲤。

簡(jiǎn)單說(shuō)噪径，TCP 協(xié)議的作用是，保證數(shù)據(jù)通信的完整性和可靠性数初，防止丟包找爱。

二.TCP數(shù)據(jù)包的大小

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（packet）的大小是固定的，最初是1518字節(jié)泡孩，后來(lái)增加到1522字節(jié)车摄。其中， 1500 字節(jié)是負(fù)載(payload)，22字節(jié)是頭信息（head）吮播。

IP 數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的負(fù)載里面变屁，它也有自己的頭信息，最少需要20字節(jié)薄料，所以 IP 數(shù)據(jù)包的負(fù)載最多為1480字節(jié)敞贡。

IP數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包里，TCP數(shù)據(jù)包在IP數(shù)據(jù)包里

TCP 數(shù)據(jù)包在 IP 數(shù)據(jù)包的負(fù)載里面摄职。它的頭信息最少也需要20字節(jié)誊役，因此 TCP 數(shù)據(jù)包的最大負(fù)載是 1480 - 20 = 1460 字節(jié),由于 IP 和 TCP 協(xié)議往往有額外的頭信息,所以 TCP 負(fù)載實(shí)際為1400字節(jié)左右。

因此谷市，一條1500字節(jié)的信息需要兩個(gè) TCP 數(shù)據(jù)包蛔垢。HTTP/2 協(xié)議的一大改進(jìn)， 就是壓縮 HTTP 協(xié)議的頭信息迫悠，使得一個(gè) HTTP 請(qǐng)求可以放在一個(gè) TCP 數(shù)據(jù)包里面鹏漆，而不是分成多個(gè)，這樣就提高了速度创泄。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的負(fù)載是1500字節(jié)艺玲，TCP 數(shù)據(jù)包的負(fù)載在1400字節(jié)左右

三.TCP的數(shù)據(jù)編號(hào)(SEQ)

一個(gè)包1400字節(jié)，那么一次性發(fā)送大量數(shù)據(jù)鞠抑，就必須分成多個(gè)包饭聚。比如，一個(gè)10MB 的文件搁拙，需要發(fā)送7100多個(gè)包秒梳。發(fā)送的時(shí)候，TCP 協(xié)議為每個(gè)包編號(hào)（sequence number箕速，簡(jiǎn)稱 SEQ）酪碘，以便接收的一方按照順序還原。萬(wàn)一發(fā)生丟包盐茎，也可以知道丟失的是哪一個(gè)包兴垦。

第一個(gè)包的編號(hào)是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。為了便于理解字柠，這里就把它稱為1號(hào)包探越。假定這個(gè)包的負(fù)載長(zhǎng)度是100字節(jié)，那么可以推算出下一個(gè)包的編號(hào)應(yīng)該是101募谎。這就是說(shuō)扶关，每個(gè)數(shù)據(jù)包都可以得到兩個(gè)編號(hào):自身的編號(hào),以及下一個(gè)包的編號(hào)。接收方由此知道,應(yīng)該按照什么順序?qū)⑺鼈冞€原成原始文件数冬。

當(dāng)前包的編號(hào)是45943节槐，下一個(gè)數(shù)據(jù)包的編號(hào)是46183搀庶，由此可知，這個(gè)包的負(fù)載是240字節(jié)

四.TCP數(shù)據(jù)包組裝

收到 TCP 數(shù)據(jù)包以后铜异，組裝還原是操作系統(tǒng)完成的哥倔。應(yīng)用程序不會(huì)直接處理 TCP 數(shù)據(jù)包。

對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)揍庄，不用關(guān)心數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)咆蒿。除非線路異常，收到的總是完整的數(shù)據(jù)蚂子。應(yīng)用程序需要的數(shù)據(jù)放在 TCP 數(shù)據(jù)包里面沃测，有自己的格式(比如 HTTP協(xié)議)。

TCP 并沒有提供任何機(jī)制食茎，表示原始文件的大小蒂破，這由應(yīng)用層的協(xié)議來(lái)規(guī)定。比如别渔，HTTP 協(xié)議就有一個(gè)頭信息Content-Length附迷，表示信息體的大小。對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)哎媚，就是持續(xù)地接收 TCP 數(shù)據(jù)包喇伯，將它們按照順序組裝好，一個(gè)包都不少拨与。

操作系統(tǒng)不會(huì)去處理 TCP 數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)稻据。一旦組裝好 TCP 數(shù)據(jù)包，就把它們轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序截珍。TCP 數(shù)據(jù)包里面有一個(gè)端口（port）參數(shù)攀甚，就是用來(lái)指定轉(zhuǎn)交給監(jiān)聽該端口的應(yīng)用程序箩朴。

系統(tǒng)根據(jù) TCP 數(shù)據(jù)包里面的端口岗喉，將組裝好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的應(yīng)用程序。上圖中炸庞，21端口是 FTP 服務(wù)器钱床，25端口是 SMTP 服務(wù)，80端口是 Web 服務(wù)器埠居。

應(yīng)用程序收到組裝好的原始數(shù)據(jù)查牌，以瀏覽器為例，就會(huì)根據(jù) HTTP 協(xié)議的Content-Length字段正確讀出一段段的數(shù)據(jù)滥壕。這也意味著,一次 TCP 通信可以包括多個(gè)HTTP 通信纸颜。

五.慢啟動(dòng)和ACK

服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包，當(dāng)然越快越好绎橘，最好一次性全發(fā)出去胁孙。但是唠倦，發(fā)得太快，就有可能丟包涮较。帶寬小稠鼻、路由器過(guò)熱、緩存溢出等許多因素都會(huì)導(dǎo)致丟包狂票。線路不好的話候齿，發(fā)得越快，丟得越多闺属。

最理想的狀態(tài)是慌盯，在線路允許的情況下，達(dá)到最高速率掂器。但是我們?cè)趺粗廊蟪祝瑢?duì)方線路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢試唉匾。

TCP 協(xié)議為了做到效率與可靠性的統(tǒng)一孕讳，設(shè)計(jì)了一個(gè)慢啟動(dòng)（slow start）機(jī)制。開始的時(shí)候巍膘，發(fā)送得較慢厂财，然后根據(jù)丟包的情況，調(diào)整速率：如果不丟包峡懈，就加快發(fā)送速度璃饱；如果丟包，就降低發(fā)送速度肪康。

Linux 內(nèi)核里面設(shè)定(TCP_INIT_CWND),剛開始通信的時(shí)候荚恶，發(fā)送方一次性發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)包，即"發(fā)送窗口"的大小為10磷支。然后停下來(lái)谒撼，等待接收方的確認(rèn)，再繼續(xù)發(fā)送雾狈。

默認(rèn)情況下廓潜，接收方每收到兩個(gè) TCP 數(shù)據(jù)包，就要發(fā)送一個(gè)確認(rèn)消息善榛。"確認(rèn)"的英語(yǔ)是 acknowledgement辩蛋，所以這個(gè)確認(rèn)消息就簡(jiǎn)稱 ACK。

ACK 攜帶兩個(gè)信息:

• 期待收到下一個(gè)數(shù)據(jù)包的編號(hào)
• 接收方的接收窗口的剩余容量

發(fā)送方有了這兩個(gè)信息移盆，再加上自己已經(jīng)發(fā)出的數(shù)據(jù)包的最新編號(hào)悼院，就會(huì)推測(cè)出接收方大概的接收速度，從而降低或增加發(fā)送速率咒循。這被稱為"發(fā)送窗口"据途，這個(gè)窗口的大小是可變的钮呀。

每個(gè) ACK 都帶有下一個(gè)數(shù)據(jù)包的編號(hào)，以及接收窗口的剩余容量昨凡。雙方都會(huì)發(fā)送 ACK

注意爽醋，由于 TCP 通信是雙向的，所以雙方都需要發(fā)送 ACK便脊。兩方的窗口大小蚂四，很可能是不一樣的。而且 ACK 只是很簡(jiǎn)單的幾個(gè)字段哪痰，通常與數(shù)據(jù)合并在一個(gè)數(shù)據(jù)包里面發(fā)送遂赠。

以上圖片說(shuō)明：上圖一共4次通信。第一次通信晌杰，A 主機(jī)發(fā)給B 主機(jī)的數(shù)據(jù)包編號(hào)是1跷睦，長(zhǎng)度是100字節(jié)，因此第二次通信 B 主機(jī)的 ACK 編號(hào)是 1 + 100 = 101肋演，第三次通信 A 主機(jī)的數(shù)據(jù)包編號(hào)也是 101抑诸。同理，第二次通信 B 主機(jī)發(fā)給 A 主機(jī)的數(shù)據(jù)包編號(hào)是1爹殊，長(zhǎng)度是200字節(jié)蜕乡，因此第三次通信 A 主機(jī)的 ACK 是201，第四次通信 B 主機(jī)的數(shù)據(jù)包編號(hào)也是201梗夸。）

即使對(duì)于帶寬很大层玲、線路很好的連接TCP 也總是從10個(gè)數(shù)據(jù)包開始慢慢試，過(guò)了一段時(shí)間以后反症，才達(dá)到最高的傳輸速率辛块。這就是 TCP 的慢啟動(dòng)。

六.數(shù)據(jù)包的遺失處理

TCP 協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)通信的完整性铅碍，這是怎么做到的润绵？

前面說(shuō)過(guò)，每一個(gè)數(shù)據(jù)包都帶有下一個(gè)數(shù)據(jù)包的編號(hào)该酗。如果下一個(gè)數(shù)據(jù)包沒有收到授药，那么 ACK 的編號(hào)就不會(huì)發(fā)生變化士嚎。

舉例來(lái)說(shuō)呜魄，現(xiàn)在收到了4號(hào)包，但是沒有收到5號(hào)包莱衩。ACK 就會(huì)記錄爵嗅，期待收到5號(hào)包。過(guò)了一段時(shí)間笨蚁，5號(hào)包收到了睹晒，那么下一輪 ACK 會(huì)更新編號(hào)趟庄。如果5號(hào)包還是沒收到，但是收到了6號(hào)包或7號(hào)包伪很，那么 ACK 里面的編號(hào)不會(huì)變化戚啥，總是顯示5號(hào)包。這會(huì)導(dǎo)致大量重復(fù)內(nèi)容的 ACK锉试。

如果發(fā)送方發(fā)現(xiàn)收到三個(gè)連續(xù)的重復(fù) ACK猫十，或者超時(shí)了還沒有收到任何 ACK，就會(huì)確認(rèn)丟包呆盖，即5號(hào)包遺失了拖云，從而再次發(fā)送這個(gè)包。通過(guò)這種機(jī)制应又，TCP 保證了不會(huì)有數(shù)據(jù)包丟失宙项。

Host B 沒有收到100號(hào)數(shù)據(jù)包，會(huì)連續(xù)發(fā)出相同的 ACK株扛，觸發(fā) Host A 重發(fā)100號(hào)數(shù)據(jù)包