TCP协议传输的特点主要就是面向字节流、传输可靠、面向连接。

TCP协议如何确保传输的可靠性的?

确保传输可靠性的方式

TCP协议保证数据传输可靠性的方式主要有：
1.校验和
2.序列号
3.确认应答
4.超时重传
5.连接管理
6.流量控制
7.拥塞控制

1.校验和

发送方：在发送数据之前计算检验和，并进行校验和的填充。
接收方：收到数据后，对数据以同样的方式进行计算，求出校验和，与发送方的进行比对。

注意：如果接收方比对校验和与发送方不一致，那么数据一定传输有误。但是如果接收方比对校验和与发送方一致，数据不一定传输成功。

校验和如何计算和验证呢？

先看看IP包头部结构：

当发送IP包时，需要计算IP报头的校验和：

1、 把校验和字段（16位首部校验和）置为0；

2、 对IP头部中的每16bit进行二进制求和；

3、 如果和的高16bit不为0，则将和的高16bit和低16bit反复相加，直到和的高16bit为0，从而获得一个16bit的值；

4、 将该16bit的值取反，存入校验和字段。

◆当接收IP包时，需要对报头进行确认，检查IP头是否有误，算法同上2、3步，然后判断取反 的结果是否为0，是则正确，否则有错。

例如：
IP包头部：

          45 00    00 31

          89 F5    00 00

          6E 06    00 00（校验字段，上面第1步置0）

          DE B7   45 5D       ->    222.183.69.93

          C0 A8   00 DC     ->    192.168.0.220

计算：

4500 + 0031 +89F5 + 0000 + 6E06+ 0000 + DEB7 + 455D + C0A8 + 00DC =3 22C4

0003 + 22C4 = 22C7（上面第3步）

 ~22C7 = DD38    （上面第4步）  ->即为应填充的校验和

当接收方接受到IP数据包时，要检查IP头是否正确，则对IP头进行检验，方法同上：

计算：

4500 + 0031 +89F5 + 0000 + 6E06+ DD38 + DEB7 + 455D + C0A8 + 00DC =3 FFFC

0003 + FFFC = FFFF

 ~FFFF = 00000     ->正确

2.确认应答与序列号

发送方与接收方之间的通信是一个数据传输过程。通信的消息将以数据包形式进行传输。

分块发送：应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）
正确排序：由于IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

数据从主机传送到另一个主机往往要经过路由器、网关等设备。这些设备都要对经过的数据进行处理。由于这些设备处理数据有一定的限制，不能处理超过额定字节的数据，所以发送的时候需要确定发送数据包的最大字节数。

这个最大字节数被称为最大消息长度（Maximum Segment Size，MSS）。当要发送的数据超过该值，就需要将数据分为多个包，依次发送。该操作被称为数据分片。

MSS 是 TCP 数据包每次能够传输的最大数据量。通常，最大值为 1460 字节。如果发送的数据包大小大于 MSS 值，数据包将会被分片传输。

第 1 次和第 2 次握手包的 TCP 首部包含 MSS 选项，互相通知对方网络接口能够适应的 MSS 的大小，然后双方会使用较小的 MSS 值进行传输。

在进行数据传输时，如果传输的数据比较大，就需要拆分为多个数据包进行发送。TCP 协议需要对数据进行确认后，才可以发送下一个数据包，如图所示
发送方每发送一个数据包，都需要得到接收方的确认应答以后，才可以发送下一个数据包。

序列号：TCP传输时将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号（上图 1-1000,1001-2000,2001-3000等）。
确认应答：TCP传输的过程中，每次接收方收到数据后，都会对传输方进行确认应答（上图下一个发送1001，下一个发送2001等）。也就是发送ACK报文。这个ACK报文当中带有对应的确认序列号，告诉发送方，接收到了哪些数据，下一次的数据从哪里发。

序列号的作用不仅仅是应答的作用，有了序列号能够将接收到的数据根据序列号排序，并且去掉重复序列号的数据。这也是TCP传输可靠性的保证之一。

推荐阅读：TCP数据传输过程详解

3.超时重传

在进行TCP传输时，由于确认应答与序列号机制，也就是说发送方发送一部分数据后，都会等待接收方发送的ACK报文，并解析ACK报文，判断数据是否传输成功。

如果发送方发送完数据后，迟迟没有等到接收方的ACK报文，这该怎么办呢？

TCP在解决这个问题的时候引入了一个新的机制，叫做超时重传机制。简单理解就是发送方在发送完数据后等待一个时间，时间到达没有接收到ACK报文，那么对刚才发送的数据进行重新发送。

由于TCP传输时保证能够在任何环境下都有一个高性能的通信，因此这个最大超时时间（也就是等待的时间）是动态计算的。

在Linux中（BSD Unix和Windows下也是这样）超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。

重发一次后，仍未响应，那么等待2500ms的时间后，再次重传。等待时间（n500ms）以一个指数的形式增长。累计到一定的重传次数，TCP就认为网络或者对端出现异常，强制关闭连接。

4.连接管理

看另外一篇文章：计算机网络-TCP三次握手、四次挥手过程及原理

5.流量控制

如果发送端的发送速度太快，导致接收端的结束缓冲区很快的填充满了。此时如果发送端仍旧发送数据，那么接下来发送的数据都会丢包，继而导致丢包的一系列连锁反应，超时重传等。而TCP根据接收端对数据的处理能力，决定发送端的发送速度，这个机制就是流量控制。

在TCP协议的报头信息当中，有一个16位字段的窗口大小。16位窗口大小的内容实际上是接收端接收数据缓冲区的剩余大小。数字越大，证明接收端接收缓冲区的剩余空间越大，网络的吞吐量越大。

滑动窗口是接受数据端使用的窗口大小，用来告知发送端接收端的缓存大小，以此可以控制发送端发送数据的大小，从而达到流量控制的目的。

接收端会在确认应答发送ACK报文时，将自己的即时窗口大小填入，并跟随ACK报文一起发送过去。

发送方根据ACK报文里的窗口大小的值的改变进而改变自己的发送速度。如果接收到窗口大小的值为0，那么发送方将停止发送数据。并定期的向接收端发送窗口探测数据段，让接收端把窗口大小告诉发送端。

16位的窗口大小最大能表示65535个字节（64K），但是TCP的窗口大小最大并不是64K。在TCP首部中40个字节的选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际的窗口大小就是16为窗口字段的值左移M位。每移一位，扩大两倍。

6.拥塞控制

一个连接的TCP双端只是网络最边缘的两台主机，他们不知道整个网络是如何工作的，因此他们不知道彼此之间的有效吞吐量。因此，他们必须找到一种方法来确定它。我们称之为拥塞窗口 (CWND)。

拥塞窗口是决定任何时候可以发出的字节数的因素之一。拥塞窗口由发送方维护，是阻止发送方和接收方之间的链路因流量过多而过载的一种手段。这不应与发送方维护的滑动窗口相混淆，滑动窗口的存在是为了防止接收方过载。拥塞窗口是通过估计链路上有多少拥塞来计算的。

拥塞控制包括 慢启动(slow-start)、拥塞避免(congestion avoidance)、快速重传(fast retransmit)、快速恢复(fast recovery)。

快速重传和快速恢复的目的是：快速恢复丢失的数据包。

慢启动(slow-start)

当主机开始发送数据时，如果立即将大量数据字节注入到网络，那么就有可能引起网络拥塞，因为现在并不清楚网络的负荷情况。因此，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。

通常在刚刚开始发送报文段时，先把拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段MSS的数值。而在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个MSS的数值。用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd ，可以使分组注入到网络的速率更加合理。

每经过一个传输轮次，拥塞窗口 cwnd 就加倍。一个传输轮次所经历的时间其实就是往返时间RTT。不过“传输轮次”更加强调：把拥塞窗口cwnd所允许发送的报文段都连续发送出去，并收到了对已发送的最后一个字节的确认。

另，慢开始的“慢”并不是指cwnd的增长速率慢，而是指在TCP开始发送报文段时先设置cwnd=1，使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况），然后再逐渐增大cwnd。

RTT (Round-Trip Time)：往返时延。

慢启动的整个过程如下：
初始化 cwnd = 1
经过1个RTT,即收到一个ACK，cwnd = 2^(1) = 2
经过2个RTT, cwnd = 2^(2) = 4
经过3个 RTT, cwnd = 2^(3) = 8

拥塞避免(congestion avoidance)

让拥塞窗口cwnd缓慢地增大，即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞窗口cwnd加1，而不是加倍。这样拥塞窗口cwnd按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。

无论在慢启动阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（其根据就是没有收到确认），就要把慢启动ssthresh设置为出现拥塞时的发送方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把拥塞窗口cwnd重新设置为1，执行慢开始算法。这样做的目的就是要迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生 拥塞的路由器有足够时间把队列中积压的分组处理完毕。

“拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞

快速重传(fast retransmit)

TCP 有一个快速传输特性——在它的计时器到期之前重新传输丢失的段。为了允许快速传输，我们需要为发送方和接收方设置一些规则。

• 作为接收者，它应该始终发送它期望接收的序列号。例如，当接收方接收到第 1 段（segment）时，它以 ACK2 响应，
• 作为发送方，它应该忽略定时器并在收到 3 个重复的ACK 后立即开始重传丢失的段。

用一句话概况，就是发送端在收到3个重复无序的ACK时候，它假定数据包丢失并重传该数据包，而无需等待重传计时器到期。

而在此时，拥塞窗口的变化过程如下：

1. ssthresh设置为拥塞窗口的1/2
2. 拥塞窗口大小设置为ssthresh
3. 重新进入拥塞避免阶段

快速恢复(fast recovery)

1. 当收到第3个重复的ACK时，将ssthresh设置为当前拥塞窗口cwnd的一半。重传丢失的报文段。设置cwnd为ssthresh加上3倍的报文段大小。
2. 每次收到另一个重复的ACK时，cwnd增加1个报文段大小并发送1个分组（如果新的cwnd允许发送）。
3. 当下一个确认新数据的ACK到达时，设置cwnd为ssthresh（在第1步中设置的值）。这个ACK应该是在进行重传后的一个往返时间内对步骤1中重传的确认。另外，这个ACK也应该是对丢失的分组和收到的第1个重复的ACK之间的所有中间报文段的确认。这一步采用的是拥塞避免，因为当分组丢失时我们将当前的速率减半。

参考：https://cloud.tencent.com/developer/article/1857368