前置知识

TCP 和 UDP

TCP 和 UDP 的特点
用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和 多对多 的交互通信。

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（ 一对一 ）。

TCP 相比 UDP 最重要的特点: 保证可靠传输

一、 TCP 协议如何保证可靠传输

先列出 TCP 协议保证可靠传输的手段：

1. TCP 协议保证可靠传输的手段：应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。TCP 给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。 校验和：TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化(确认过程)。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段(重传过程)。TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
2. ARQ 协议：它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
3. 流量控制：TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP 的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。 （TCP 利用滑动窗口实现流量控制）
4. 拥塞控制：当网络拥塞时，减少数据的发送。
5. 超时重传：当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

1.1 ARQ 协议

自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）: 它通过使用确认和超时这两个机制，在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输。如果发送方在发送后一段时间之内没有收到确认帧，它通常会重新发送。

ARQ 协议使用两种方式来保证可靠性:

1. stop & wait 停止等待 ARQ 协议

它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认（回复 ACK）。
如果过了一段时间（超时时间后），还是没有收到 ACK 确认，说明没有发送成功，需要重新发送，直到收到确认后再发下一个分组；
在停止等待协议中，若接收方收到重复分组，就丢弃该分组，但同时还要发送确认；

2. Automatic 连续 ARQ 协议

连续 ARQ 协议可提高信道利用率。发送方维持一个发送窗口，凡位于发送窗口内的分组可以连续发送出去，而不需要等待对方确认。接收方一般采用累计确认，对按序到达的最后一个分组发送确认，表明到这个分组为止的所有分组都已经正确收到了。

1.2 流量控制

和上节连续 ARQ 协议的滑动窗口概念对应:

我们只需要控制窗口大小即可控制流量.

TCP 的滑动窗口是动态的，我们可以想象成小学常见的一个数学题，一个水池，体积 V，每小时进水量 V1，出水量 V2。当水池满了就不允许再注入了，如果有个液压系统控制水池大小，那么就可以控制水的注入速率和量。这样的水池就类似 TCP 的窗口。应用根据自身的处理能力变化，通过本端 TCP 接收窗口大小控制来对对对端的发送窗口流量限制。

应用程序在需要（如内存不足）时，通过 API 通知 TCP 协议栈缩小 TCP 的接收窗口。然后 TCP 协议栈在下个段发送时包含新的窗口大小通知给对端，对端按通知的窗口来改变发送窗口，以此达到减缓发送速率的目的。

二、总结

1. 最基本的传输可靠性来源于“确认、重传”机制。
2. TCP 的滑动窗口的可靠性也是建立在“确认、重传”基础上的。
3. 发送窗口只有收到对端对于本段发送窗口内字节的 ACK 确认，才会移动发送窗口的左边界。
4. 接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界。当在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下，窗口不会移动，并不对后续字节确认。以此确保对端会对这些数据重传。