聊聊TCP
关于TCP/IP
TCP/IP协议族是互联网使用最广泛的基础通信协议，其中TCP（Transmission Control Protocol）为网络通信提供了可靠性保证。TCP协议本身非常复杂，深入研究的话还是需要去看《TCP/IP详解 卷1：协议》，本文仅仅是对TCP/IP作一个不完全的介绍。
OSI参考模型
先说OSI协议（Open System Interconnection），OSI是由ISO制定的一个国际标准，对通信系统进行了标准化。但是OSI协议并没有得到普及，反而是OSI协议的指导方针“OSI参考模型”常被用于网络协议的制定。OSI将计算机网络体系结构划分为以下7层：
7 应用层
各种应用程序协议 ，如HTTP、FTP、SMTP、POP3。
6 表示层
信息的语法语义以及它们的关联，如加密解密、转换翻译、压缩解压缩。
5 会话层
不同机器上的用户之间建立及管理会话。
4 传输层
接受上一层的数据，在必要的时候把数据进行分割，并将这些数据交给网络层，且保证这些数据段有效到达对端。
3 网络层
控制子网的运行，如逻辑编址、分组传输、路由选择。
2 数据链路层
物理寻址，同时将原始比特流转变为逻辑传输线路。
1 物理层
机械、电子、定时接口通信信道上的原始比特流传输。
TCP/IP参考模型
TCP/IP是由IETF定义的标准。TCP/IP将结构划分为4层，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层，与OSI参考模型十分相似，每一层的定义也基本相同。但为了方便分析和学习，我们通常会将网络接口层分为数据链路层和物理层，即划分为5层：
5 应用层
HTTP、FTP、SMTP、POP3等。
4 传输层
TCP（Transmission Control Protocol）、UDP（User Datagram Protocol）在这一层，这一层传输的数据称为数据段（Segment）。
3 网络层
IP（Internet Protocol）在这一层，这一层传输的数据称为数据包（Packet）。
2 数据链路层
ARP（Address Resolution Protocol）在这一层，这一层传输的数据称为数据帧（Frame）。
1 物理层
这一层传输的数据是比特（Bit）。
TCP三次握手和四次挥手
三次握手：
[Client] ——- SYN ——> [Server]
[Client] <— ACK,SYN —- [Server]
[Client] ——- ACK ——> [Server]
SYN的全称是Synchronize Sequence Number，表示同步序列号。
ACK的全称是Acknowledgement Number，表示确认收到。
三次握手的目的是建立可靠的通信连接，从技术实现的角度来说，主要是要初始化Sequence Number的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Sequence Number（缩写为ISN：Inital Sequence Number）。这个号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输的问题而乱序（TCP会用这个序号来拼接数据）。
其中关于ISN的初始化，在每次建立TCP连接时，ISN是不能固定从0开始或者其他有可能重复的值，否则将无法严格区分不同时间不同连接的数据包导致乱套。
四次挥手：
[Client] ——- FIN ——> [Server]
[Client] <—– ACK ——- [Server]
[Client] <—– FIN ——- [Server]
[Client] ——- ACK ——> [Server]
四次挥手的目的是断开一个TCP连接，由于TCP是双向通讯协议，要结束连接，双方都必须发送终止信号，告诉对方后续再没有数据发过来了，并等待对方确认。
TCP协议如何保证可靠传输
TCP在保证可靠传输上做了大量的工作，用了很多复杂的算法，一篇文章其实是讲不完的，更何况我也只是一知半解。简单来说，主要有3个机制：
-
重传机制
TCP是分组交换，也就是把一个大数据分割成一个个较小单位的数据包进行传输，以此提高通信的效率和利用率。那么就有2个问题：
- 在发送数据的过程中，部分数据有可能会丢，那么丢多少，需要重传多少是个问题。
- 什么时候重传是个问题，TCP使用超时重传机制，但是对超时时间的设置很重要，长了，太慢，没有效率。短了，会有很多不必要的重发，还会增加网络拥塞，导致更多的超时，更多的超时导致更多的重发。
经过多年的优化，TCP最终使用一个叫
Jacobson/Karels Algorithm的算法，能够较为准确的估算出重传的超时时间，让重传机制更高效。 -
滑动窗口
TCP滑动窗口主要用于解决流控问题。TCP连接的两端都有一个固定大小的缓冲区，TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。
-
拥塞处理
简单来说，滑动窗口仅仅是解决了发送端和接收端的拥塞问题，但对于网络上的拥塞无能为力，但是TCP也希望能够解决这个问题。
拥塞控制主要是四个算法：
-
慢启动
刚刚加入网络的连接，一点一点地提速。主要是通过调整拥塞窗口cwnd（全称Congestion Window）来提速。
-
拥塞避免
有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，一般来说ssthresh的值是65535，单位是字节，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”，避免增长过快导致网络拥塞，通过一个线性上升的算法慢慢增加cwnd，调整到网络的最佳值。
-
拥塞发生
在拥塞的时候，TCP一般会有两种处理方法：
一种是快速重传算法，会在收到3个重复ACK时开启，而不用等到超时才开始重传。
另一种是等到超时，这种情况是比较糟糕的，所以TCP反应比较强烈，先将sshthresh设置为cwnd的一半，并重置cwnd为1，然后进入慢启动过程。
-
快速恢复
快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法认为，可以收到3个重复ACK说明网络还不是那么糟糕，于是先重传丢失掉的数据包，如果还算正常就快速调整cwnd恢复网络传输速度，然后进入到拥塞避免算法。
-
TCP和UDP的区别
TCP：
面向连接，传输可靠，传输字节流，传输效率慢，占用资源多，适合要求通信数据可靠的场景。
UDP：
面向无连接，传输不可靠，传输数据报文段，传输效率快，占用资源少，适合要求通信速度高的场景。