【探索Linux】P.37（传输层 —— TCP协议通信机制 | 确认应答(ACK)机制 | 超时重传机制）

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引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了TCP协议的传输层，详细解析了TCP协议段的格式，包括它的头部结构和各字段的功能。通过这一过程，我们对TCP如何确保数据的可靠传输有了初步的了解。现在，让我们继续我们的探索之旅，进一步揭开TCP协议的神秘面纱，深入了解其通信机制。让我们一起走进TCP协议的通信世界，探索其背后的技术细节和实现原理。

一、确认应答(ACK)机制

TCP（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。在TCP中，确认应答（ACK）机制是确保数据可靠性的核心组成部分。

1. 成功接收

⭕当主机A向主机B发送数据时，一旦数据到达主机B，主机B将向主机A发送一个确认应答，以表明数据已被成功接收。下面是这一过程的详细步骤：

1. 数据发送：主机A将数据分割成TCP段，每个段都包含一个序列号，表示数据的顺序。
2. 发送数据段：主机A将这些TCP段发送到主机B。
3. 接收数据段：主机B接收到来自主机A的TCP段。
4. 生成ACK：主机B生成一个ACK段，其中包含一个确认应答号。这个确认应答号通常等于主机B期望接收的下一个TCP段的序列号。
5. 发送ACK：主机B将ACK段发送回主机A。
6. 确认接收：主机A接收到来自主机B的ACK后，知道之前发送的数据已经被成功接收。

2. 过程中存在丢包

在TCP协议中，数据的可靠传输依赖于接收端发送的确认应答（ACK）。发送端在数据发出后，会进入等待状态，以期收到接收端的确认信号。一旦接收到确认，即表示数据已安全到达目的地。相反，如果在指定的等待时间内未收到任何确认，发送端将推断数据可能未被成功接收，从而触发重发机制。

如果主机A发送的数据因网络拥堵等原因未能成功传输至主机B，导致数据丢失，主机A将无法接收到主机B的确认信号。在这种情况下，主机A会在设定的时间间隔内等待确认应答。若在这段时间内仍未收到任何确认，主机A将采取行动，重新发送丢失的数据。

即使发送端未收到确认应答，这并不一定表示数据包丢失。有时数据可能已经到达接收端，但确认信号在返回过程中丢失。这会导致发送端在未收到及时的ACK时，误判数据未成功传输，并因此重新发送数据。

当主机B向主机A发送的确认应答因网络问题在途中丢失，主机A将无法收到这一信号。主机A会设定一个等待期，如果在这段时间内没有收到确认应答，它将认为数据未被成功接收，并重新发送数据。与此同时，主机B在实际接收到数据后，如果再次收到相同的数据包，它将识别出这是一次重复传输，并不会再发送确认应答，以避免不必要的通信。

3. 引入序列号

为了解决上面的问题，确认应答(ACK)机制引入了序列号，它用于确保数据的有序传输和完整性。

（1）序列号的定义

序列号是TCP段中的一个重要字段，用于标识该段数据在字节流中的位置。每个TCP段的序列号都是唯一的，它从0开始，并且随着数据的发送而递增。

（2）序列号的作用

1. 确保有序传输：序列号确保数据按照发送的顺序被接收方接收。接收方可以根据序列号将数据重新组装成原始的字节流。
2. 允许数据重排：如果数据在传输过程中出现乱序，接收方可以根据序列号对数据进行重新排序。
3. 检测丢失的数据：如果接收方收到的序列号不是期望的下一个序列号，它知道数据在传输过程中丢失了。
4. 触发重传机制：发送方可以根据接收方的ACK报文中的确认号来确定哪些数据需要重传。

（3）序列号的工作原理

1. 初始化序列号（ISN）：当TCP连接建立时，发送方随机生成一个初始序列号（ISN），用于第一个数据段的序列号。
2. 序列号递增：随着数据的发送，序列号会递增。例如，如果发送方发送了100字节的数据，那么下一个数据段的序列号将是100+1。
3. 序列号回绕：序列号是一个32位的无符号整数，当序列号达到最大值（2^32-1）时，它会回绕到0，重新开始计数。
4. 序列号与确认号的关系：接收方在发送ACK报文时，会将期望接收的下一个数据段的序列号作为确认号发送给发送方。

（4）序列号和确认应答号

序列号是TCP协议中确保数据有序传输和完整性的关键机制之一。通过序列号，TCP能够实现可靠的数据传输，即使在网络条件不理想的情况下也能保持数据的完整性。

二、超时重传机制

超时重传是指当TCP发送方在发送数据后，在预期的时间内没有收到接收方的确认应答（ACK），则会认为该数据段在传输过程中丢失或损坏，从而触发重新发送该数据段的过程。

1. 超时重传机制的作用

1. 确保数据完整性：通过重传丢失或未被确认的数据，确保所有数据都能被接收方正确接收。
2. 适应网络状况：网络状况可能随时变化，超时重传机制允许TCP根据当前的网络状况调整重传策略。

2. 超时重传机制的工作原理

1. 设置超时时间（RTO, Retransmission Timeout）：发送方为每个未被确认的数据段设置一个超时计时器。超时时间的确定通常基于往返时间（RTT, Round-Trip Time）的估计。
2. 监控ACK：发送方持续监控接收方发回的ACK。如果收到的ACK确认了数据段，超时计时器会重置；如果没有收到预期的ACK，计时器继续倒计时。
3. 超时触发重传：当超时计时器到达0时，如果相应的数据段仍未被确认，发送方会认为该数据段丢失，并重新发送该数据段。
4. 调整超时时间：TCP会根据网络状况动态调整超时时间。例如，如果连续发生超时，TCP可能会增加超时时间，以减少不必要的重传。

3. 超时重传机制的优化

1. 快速重传（Fast Retransmit）：除了超时重传外，TCP还实现了快速重传机制。如果接收方收到一个数据段，但后续的数据段丢失，它会发送重复的ACK来指示发送方。发送方收到三个相同的ACK时，会立即重传丢失的数据段，而不必等待超时。
2. 有限重传：为了防止无限重传，TCP通常会限制重传次数。如果数据段在多次重传后仍未被确认，TCP可能会放弃重传，并报告错误给应用层。
3. 拥塞控制：超时重传是拥塞控制算法的一部分。当发生超时时，TCP可能会认为网络拥塞，并采取措施减少发送速率，以减轻网络负担。

4. 超时重传机制的影响

• 性能：超时重传可能会影响TCP连接的性能，特别是在网络状况不佳时。重传会增加延迟和额外的网络负载。
• 可靠性：尽管超时重传可能会影响性能，但它确保了数据的可靠传输，即使在网络条件不理想的情况下。

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