TCP
本文总结了传输层的传输特点与部分基础问题解答
特点
- 全双工
- 面向连接
- 可靠数据传输
- 拥塞控制
Question
面向连接？
TCP不像HTTP（无连接协议）是面向连接的(connection-oriented)，这也便意味着TCP的有着一个连接建立的过程，两个进程通信前必须先进行三次握手的过程，简略来说就是他们必须互相发送某些预备报文段，以建立确保数据传输的参数，在连接结束时，还要经历四次挥手的过程来确保连接的结束，以此来释放本次连接的资源。
- tcp连接不是一条像在电路交换网络种的端到端TDM或FDM的电路，相反，该“连接”是一条逻辑上的连接。
三次握手
第一次握手：起初两端都处于CLOSED关闭状态，Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=client_isn，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN-SENT状态，等待Server确认；
第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1得知Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=client_isn+1，随机产生一个值seq=server_isn，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN-RCVD状态，此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量；
第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为client_isn+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=server_isn+1，并且此时操作系统为该TCP连接分配TCP缓存和变量，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为server_isn+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client和Server就可以开始传输数据。
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- 为什么是三次握手不是两次握手?
这个问题的本质是, 信道不可靠, 但是通信双发需要就某个问题达成一致. 而要解决这个问题, 无论你在消息中包含什么信息, 三次通信是理论上的最小值. 所以三次握手不是TCP本身的要求, 而是为了满足"在不可靠信道上可靠地传输信息"这一需求所导致的。
具体解释就是:
如果只有两次握手，缺失了第三次应答，那么服务器将无从得知客户端是否接收到自己的同步信号,如果第二次连接丢失,S端则无从知晓。
换一种角度来看，几次连接的功能有：
- C 通知建立连接（SYN=1），告知序列号（seq）
- S 通知建立连接（SYN=1），告知序列号（seq），应答+并回复我收到了第一次连接（ack,即下一次通讯期望的资源号）
- 关闭SYN建立连接，告知序列号（seq），应答+并回复我收到了第二次连接（ack,即下一次通讯期望的资源号）
第三次连接表达的信息有三点，如果去除则会导致本次通讯不可靠了。
四次挥手
第一次挥手：客户端发送FIN（FIN=1）报文，表示连接终止
第二次挥手：服务器响应，发送ACK，表示请求以接受
但此时，服务器可能仍有发送任务在进行，一段时间后才会执行第三次挥手。
第三次挥手：服务端发送FIN（FIN=1）报文，表示连接终止
第四次挥手：客户端响应，发送ACK，表示请求以接受
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如何可靠？
TCP（传输层）下层（网络层）是不可靠的，那么如何在不可靠的基础上建立可靠的数据传输服务？
TCP有一套差错恢复机制，
发送方的发送窗口为1，接收方的接受窗口为N，
发送方具有一个定时器，记录当前发送出去的数据n是否有被接收方正确的接收到（通过ACK）
假设发送方现在从0、1、2、3的顺序开始发起数据段，
第一种情况:
接收方等待0号数据，并收到了0号数据，则回馈ACK1，
表示我已经接受到了0号数据，现在我想要1号数据。
发送方就会重启定时器等待下一个ACK的到来
如果定时器0超时（ack1未成功回馈或者0号数据发送失败）则会重传0号数据
定时器超时，重传的情况：
定时器超时，重传的情况
第二种情况：
接收方等待0号数据，但收到了1号数据，则会回馈ACK0，
表示我虽然收到了1数据，但我现在在等待0号数据，请您发0号数据给我
如果后续接收方收到了0号数据，则接收方会直接回馈ACK2，发送方就会重启定时器等待下一个ACK（ACK3）的到来
直接回馈：
直接回馈的情况.png
如果接收方迟迟收不到0号数据，发送方在一段时间后会因为定时器或快速重传机制选择消息重发
一种特殊的情况，如果接收方收到了1、2、3，发送了3个ACK1，此时发送方收到3个冗余ACK1后会直接认为0号数据已经丢失了，此时则会发生快速重传
快速重传：
快速重传.png
拥塞控制
在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络性能就要变坏，这种情况就叫做网络拥塞。
在计算机网络中数位链路容量（即带宽）、交换结点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。
若出现拥塞而不进行控制，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。
发送方维护一个cwnd，拥塞控制窗口，该窗口的大小直接影响发送速率，控制速率的算法分为慢启动、拥塞避免、快速恢复过程
慢启动：cwnd每过一个RTT翻倍递增，
拥塞避免：cwnd每过一个RTT逐渐递增1
快速回复：ssthrest=cwnd/2，cwnd=ssthrest，此时会直接像拥塞避免那样逐渐递增1。
- 慢启动 - > 拥塞避免状态 是如何转折的？
首先，如果第一次碰到丢包事件，cwnd=1并重新开始慢启动过程，它还会更新ssthrest=cwnd/2，
在之后的过程中，如果检测到当前cwnd>=ssthrest，则慢启动就会变为拥塞避免状态。
如果再遇到丢包事件，会首先判断是ACK III触发还是TIMEOUT触发
如果是ACKIII 会进入快速恢复阶段
如果是TIMEOUT，则和之前逻辑相同
拥塞控制算法.png
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