TCP协议入门
这是计算机网络相关的第四篇文章。首先要明确：信道本身不可靠（丢包、重复包、出错、乱序），不安全。所以引出了七层或五层模型来保证。因此，任何一个东西的提出都是为了解决某个问题的。学习计算机，从他的历史出发，理解为什么会有不断低迭代，因为是为了解决某个痛点问题。比如HTTP的发展，为什么在HTTP1.0基础上还要提出HTTP1.1，为什么还要提出HTTP2.0，我们学习了他的发展历史之后就会明白了。同样，下面再说一说为什么要有TCP协议，TCP到底解决了什么问题。
一、回顾
首先简单回顾一下。
1.1 物理层
物理层是相当于物理连接，将0101以电信号的形式传输出去。
1.2 数据链路层
数据链路层，有一个叫做以太网协议，规定了电子信号是如何组成数据包的，这个协议的头里面，包含了自身的网卡信息，还有目的地的网卡信息（一般我们可以知道对方的IP，IP可以通过DNS解析到，然后根据ARP协议将IP转换为MAC地址）。那么，如果在同一个局域网内，我们就可以通过广播的方式找到对应MAC地址的主机。—即以太网协议解决了子网内部的点对点通信。
1.3 网络层
但是呢，以太网协议不能解决多个局域网通信，每个局域网之间不是互通的，那么以太网这种广播的方式不可用，就算可用，网络那么大，通过广播进行找，是一个可怕的场景。那么，IP协议可以连接多个局域网，简单来说，IP 协议定义了一套自己的地址规则，称为 IP 地址。物理器件，比如说路由器，就是基于IP协议，里面保存一套地址指路牌，想去哪个局域网，可以通过这个牌子来找，然后逐步路由到目标局域网，最后就可以找到那台主机了。IP层就是对应了网络层。
1.4 传输层
那么，此时解决了多个局域网路由问题，也解决了局域网内寻址问题，即我这台主机已经可以找到那台主机了，下面还有什么事情需要做呢？显然，找到主机还不行啊，比如我用微信发一条消息，我发到你主机了，但是你主机上的微信不知道这条消息发给他了，这里说的就是端口，信息要发到这个端口上，监听这个端口的程序才会收到消息。
1.5 应用层
OK，最上层的应用层，就是最贴近用户的，他的一系列协议只是为了让两台主机会互相都理解而已。
二、问题和解决
2.1 存在的问题
在明白了计算机网络为什么要这几层模型之后，我们再回到一开始，如何保证安全、可靠、完整地传输信息呢？
很显然，上面提到的，只是保证信息能找到对方主机和端口，但是这个信息中途被拦截了、甚至被篡改了、信息延迟了（几分钟或者几个小时，或者几个世纪）、网络不通或者挂了，信息自己可不会告诉你他挂了或者要迟到一会，如果没有一个协议来保障可靠性，那么我这条消息发出去，能不能到、能不能及时到、能不能完整到、能不能不被篡改到等这些问题将会造成灾难，网络传输也就没有了意义。
计算机的前辈们，为我们提供了一系列的措施来尽可能保证信息能正确送达。
2.2 数据校验
首先在数据链路层，可以通过各种校验，比如奇偶校验等手段来判断数据包传的是否正确。
2.3 数据可靠性
好了，解决了数据是否正确之后，但是还不能保证线路是可靠的，加入某个包没发出去或者发错了，应该有一个出错重传机制，保证信息传输的可靠性。这就引出了TCP协议。
TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
下面来看看TCP是如何解决丢包、重复包、出错、乱序等不可靠的一些问题的。
三、滑动窗口协议的提出
这就引出了TCP中最终的一个东西：滑动窗口协议。
3.1 朴素的方法来确保可靠性
先从简单的角度出发，自己想一下，如何保证不丢包、不乱序。
按照顺序，发送一个确认一个，显然，吞吐量非常低。那么，一次性发几个包，然后一起确认呢？
3.2 改进方案
那么就引出第二个问题，我一次性发几个包合适呢？就这引出了滑动窗口。
四、数据包编号和重传机制
4.1 数据包编号
在说明滑动窗口原理之前，必须要说一下TCP数据包的编号SEQ。
我们知道，由于以太网数据包大小限制，所以每个包承载的数据是有限的，如果发一个很大的包，必然是要拆分的。
发送的时候，TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。
第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。
4.2 数据重传机制
TCP协议就是根据这些编号来重新还原文件的。并且接收端保证顺序性返回ACK确认，比如有两个包发过去，为1号和2号，2号接收成功，但是发现1号包还没接收到，所以2号的ACK是不会发回去的，这个时候，如果在重传时间内收到1号了，那么就把这两个包的ACK都返回回去，如果超时了，就重传1号包。知道1号包接收成功，后续的才会返回ACK。
具体是如何做到的呢？
前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。
举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。
如果发送方发现收到三个连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失。
（图片说明：Host B 没有收到100号数据包，会连续发出相同的 ACK，触发 Host A 重发100号数据包。）
五、慢启动
下面再来说说慢启动。
服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。
最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。
TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。
Linux 内核里面设定了（常量TCP_INIT_CWND），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即"发送窗口"的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。
默认情况下，接收方每收到两个 TCP 数据包，就要发送一个确认消息。"确认"的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。
ACK 携带两个信息：
- 期待要收到下一个数据包的编号
- 接收方的接收窗口的剩余容量
发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为"发送窗口"，这个窗口的大小是可变的。
我们可以知道，发送发和接收方都维护了一个缓冲区，可以理解为窗口。根据接收速度可以调整发送速度，逐渐达到这条线路最高的传输速率。
ok，下面就可以研究一下滑动窗口了。
六、滑动窗口原理
正常情况下：
（如图，123表示已经正常发送并且收到了ACK确认。4567属于已发送但是还没有收到ACK。8910表示待发送。这个窗口当前长度为7.正常情况下，4号包收到ACK，那么窗口就会右移一格。）
但是往往会出现一些问题，比如5号包迟迟收不到ACK，在接收端可能是没有收到5号包，但是可能会收到6号包甚至是7、8号包，那么此时只能等待5号包，如果5号包顺利到达了，那么就把5678号包的ACK都发给发送端，那么发送端滑动窗口向右右移四格。如果迟迟收不到5号包，只能重传。
以上就是关于TCP中比较重要的出错重传、编号、慢启动以及滑动窗口。这些保证了数据传输的可靠性。
整理自：http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/06/tcp-protocol.html