【TCP/IP】确认应答、超时重传机制和TCP报头

TCP 相关机制

TCP 基本特点：有连接、可靠传输、面向字节流、全双工

有连接、面向字节流和全双工都能在前面的代码中体现
有连接：必须要先调用 accept 建立联系才能处理
面向字节流：会拿到 clientSocket 对象的 InputStream 和 OutputStream，再来去读写数据
全双工：一个 Socket 对象，既可以读，也可以写
而此处的可靠传输在代码层面感知不到，它是在系统内核完成了这里的工作

TCP 最核心的资质就是“可靠传输”，不能做到 100% 送达，只能尽可能的是数据能到达对方方

能感知到对方是否收到
如果发现对方没有收到，就要进行重试

后发先至

如果数据按照左边的传输次序来的，那就不会有歧义
虽然女神先发的“好啊好啊”，后发的“滚”，但是在网络传输中，可能存在“后发先至”，对于我们接收方来说，可能会先收到“滚”，后收到“好啊好啊”
此时，歧义就产生了，我将会误以为女神答应我了

出现原因

互联网最初是用来防御核弹打击的，即使是遭受到了核弹打击，但是 A~B 之间的通信路径有很多很多条，不会全军覆没，所以仍然可以确保数据能正常传输

在正常传输数据的时候，传输数据包不一定走同一条路线
因为是不同的路线，每个数据包传输过程中，遇到的状况也都有差别，最终达到目标的时序就可能存在差异了

举个例子：一个婚车队伍，在触发的时候都是按照顺序，一辆一辆跟着走的，但一到大路上，车队就可能会走散

本来跟着头车走，结果遇到了红灯，一旦跟不上，就各凭本事了
每辆车，各个导航，可能走的路线都不一样，可能有的车还会堵车
最后到达目的地的先后顺序改变的情况就是很常见的

1. 确认应答

后发先至的解决方法，TCP 核心机制，感知对方是否收到，就是要靠对方告诉你一声“收到了”

后发先至是客观存在的情况，无法改变
若要解决，可以给传输的数据添加“编号”，通过编号，可以区分出数据的先后顺序
我收到的应答报文，即使顺序出现错乱，也能识别出来原意
由于 TCP 是面向字节流的，是加上这里的编号并非是按照“第一条，第二条”这样的方式来编排的，而是按照“字节“，“第一个字节，第一百个字节”，这样来编排的
每个字节都有一个独立的编号，字节和字节之间，编号是连续的、递增的
这种按照字节编号的机制，就成为“TCP 的序号”，在应答报文中，针对之前收到的数据进行对应的编号，称为“TCP 的确认序号”

之后，TCP 就可以针对接收方收到的信息，进行重新排序，确保应用程序 read 到的数据一定是和发送方的数据顺序是一致的

image.png|482
接收方这边调用 read 的时候如果没有数据，就会阻塞等待（前面回显服务器文章中写的是 scanner 读取，本质上就是调用 InputStream.read）

接收方收到的数据信息顺序可能和发送发传输时的顺序不一样
此时接收方收到 1001-2000 这个数据到了，但是接收方不会让 read 接触阻塞，因为这个数据的起始部分还没到，2001-3000 到了之后也进行阻塞
直到 1-1000 这个数据到达之后，read 才会接触阻塞，才会读取到 1-1000，1001-2000，2001-3000
- 接收方这边，操作系统内核里面，有一段空间，作为“接收缓冲区”，收到的数据就会先在缓冲区中排队等待，直到开头的数据到了，应用程序才能真正读取到里面的数据

前面接亲的例子：等婚车到了女方门口，因为头车还没来，所以不能直接开到新娘门口去接人

因此这样的车就得在外等待，必须等头车到
等车到了之后，再重新排好队，再一起开到新娘家门口

丢包

丢包的原因有很多种：

数据传输的过程中，发生了 bit 翻转，收到这个数据的接收方/中间的路由器什么的，计算校验和，但是发现校验和对不上
发现错误，要及时止损，不能将错就错

所以就会把这个数据丢弃掉，不继续往后转发/不交给应用层使用

数据传输到某个节点（路由器/交换机），但这个节点的负载太高了，后续传输过来的数据就可能被这个路由器直接丢弃掉
- 负载太高：某个路由器，单位时间只能转发 N 个包，但现在是网络高峰期，这个路由器单位时间需要转发的包超过 N 个了，发不过来了

2. 超时重传

发生丢包是完全随机，不可预测的，TCP 再怎么厉害，也不可能避免数据发生丢包。TCP 能做的是：感知到数据是否丢失，如果丢包，就重新再发一次

此时需要通过应答报文来区分

收到应答报文，说明数据没丢包
没收到应答报文，就说明数据丢包了
- 网络传输是需要消耗时间的，这里的“没收到”是暂时没收到，还是永远都收不到？
- 发送方发送数据之后，会给出一个“超时时间”，如果在这个时间限制之内，没有收到反馈的 ACK（应答报文 ACK 由 0 变为 1），就视为数据丢包了
  
  不管是因为数据丢了导致的丢包还是因为 ACK 丢了导致的，都会重发
但如果是因为 ACK 丢了导致的重发，接收方就会收到两份一样的数据，这样是很不好的（一次扣款请求扣两次）
所以为了确保应用程序调用 read 读出来的数据是唯一、不重复的，TCP 就会对这种情况进行处理——去重
- 接收方有一个“接收缓冲区”，收到的数据会先进入到缓冲区里，后续再督导数据，就会根据序号，在缓冲区中找到对应的位置（排序）。如果发现当前序号 1-1000 这个数据已经在缓冲区中存在了，就会直接把新收到的这个数据丢弃掉

超时时间的设定

这里的时间不是固定不动的，而是动态变化的
发送方第一次重传，超时时间是 t1，如果重传之后，仍然没有 ACK，就会继续重传，第二次重传的超时时间是 t2，t2>t1

每多重传一次，超时时间的间隔就会变大，重传的频次会降低
经过一次重传之后，就能让数据到达的概率提升很多
反之，如果重传了几次，都没有顺利到达，说明网络的丢包率已经达到了一个非常高的程度——>网络发生了严重故障，大概率没法继续使用了
重传也不会无休止的进行，当重传达到一定次数之后，TCP 不会再重传，就认为这个连接已经挂了
先尝试进行“重置/复位连接”，发送一个特殊的数据包“复位报文”，尝试和对方重新进行连接
如果网络这会恢复了，复位报文就会重置连接，使通信可以继续进行
如果网络还有严重问题，复位报文也没有得到回应，此时 TCP 就会单方面放弃连接（发送方释放掉之前接收方的相关信息，这个连接诶也就没了）

确认应答和超时重传相互补充，共同构建了 TCP 的“可靠传输机制”

可靠传输机制不是靠“三次握手和四次挥手保证的”

TCP 报头

image.png|449

首部长度

TCP 报头的长度

UDP 协议报头固定就是 8 个字节
对于 TCP 来说，报头长度是可变的
4 个比特位可表示的范围：
0000~1111——>0x0~0xF——>0~15
此处的长度单位是 4 字节，不是字节（所以范围是 0~60 字节）

保留（6 位）

虽然现在不用，但是先把这个东西申请下来，以备不时之需。用于考虑未来的可扩展性

充分吸取了 UDP 的教训，UDP 的报文长度字段，是没法扩展的
如果未来某一天，TCP 需要新增属性或者谋和属性的长度不够用，就可以把保留位拿出来，进行使用
TCP 的结构不需要发生太大的改变，这样的升级就会容易很多

关于“可扩展性”也是属于编程的时候需要考虑到的一点，毕竟写的代码不可能写一份就能持续地使用。对代码做出调整，做出修改，是非常普遍、常见的情况
但是，

选项

TCP 报头边长的主要原因。四个字节为一个单位

可以有, 也可以没有
可有一个，也可有多个
通过“首部长度”确定报头有多长，如果是两个四个字节长度就是两个选项，三个四个字节长度就是三个选项，以此类推

序号

由于会出现“后发先至”的情况，所以需要通过编号，区分出数据的先后顺序
序号：表示的就是 TCP 数据报载荷中的第一个字节的序号，由于序号是连续递增，知道了第一个字节的序号，后续每个字节的序号也就知道了
image.png|565

32 位/四字节，表示的范围是 0~42亿9千万（0~4G）
因为 TCP 是面向字节流的，所以一个 TCP 数据报和下一个 TCP 数据报携带的数据，是可以直接进行拼装的
比如要传输一个特别大的数据，传输过程中，本身就会通过多个 TCP 数据报来进行携带，这些 TCP 数据报彼此之间携带的载荷都是可以在接受方自动拼起来的
- 这样就不像 UDP 存在传输的上限，使用 UDP 传输大数据，就需要考虑调用这一次 send 操作，参数是否超过了 64KB，超过了就不行
- 使用 TCP 的话就没关系，可以调用一次 write，也可以调用多次 write。无论怎么进行 write，在网络传输和对端接收的角度来看是没有任何差别的
- 如果多次 write，传输的总数据量超过上述的 4G 也没关系，这里的数据序号是可以再从 0 开始重新设置的

确认序号

确认序号的设定方式，和后发先至中发短信的例子，略有差别

TCP 序号不是按照“一条两条”来编排的，而是按照“字节”来编排的

TCP 的确认序号这里，填写的是 1001，接收方收到的数据的最后一个字节序号的下一个序号

表示的含义是 <1001 的序号的数据都收到了（TCP 序号是连续增长的）
对于应答报文来说，“确认序号”就会按照收到的数据的最后一个字节序号+1 的方式来填写
并且六个标志位中，第二个标志位（ACK）会设为 1
- 普通报文的 ACK 为 0，应答报文的 ACK 为 1
- 如果是普通报文，序号是有效的，确认序号是无效的；如果是应答报文，序号和确认序号都是有效的
- 应答报文的序号是另一套编号体系，和传输数据的序号是不一样的
- 应答报文默认情况下是不携带数据的