TCP协议：现代网络数据传输的守护者——十大核心机制赋能高效可靠通信
一、先谈UDP协议
1.1、UDP协议端格式
16位UDP长度，表示整个数据报（UDP首部+UDP数据）的最大长度，源端口号和目的端口号占16个二进制位（2字节），范围0-65535
如果校验和出错，则会直接丢弃
UDP的特点：
• 无连接：不需要与对端建立连接，知道对端的端口号和IP即可直接传输
• 不可靠：没有确认应答、超时重传机制，即使因网络问题无法发送的对方，UDP协议也不会给应用层任何错误信息
• 面向数据报：不能灵活的控制读写数据的次数和数量
UDP使用注意事项
UDP协议首部有一个16位的最大长度，也就是UDP能传输的数据最大长度是64K（首部+数据），但在当今互联网环境下，64K是一个非常小的数据
如果我们想要传输的数据超过64K，就要在应用层手动的分包，多次发送，在接收端手动拼装
二、TCP协议
TCP全称为 "传输控制协议(Transmission Control Protocol")， 即要对数据的传输进行⼀个详细的控制
TCP协议端格式：
• 源/目的端口：表示数据从哪个进程发送，哪个进程要接收
• 32位序号/确认号：分别表示数据段的第一个字节的编号，用于保证数据按序到达和接收方期望的下一个字节序号，即已接收数据最高序号加1
• 4位数据偏移（等同报头长度）：表示该TCP首部有多少个32位bit（4字节），所以TCP首部最大长度为15*4 = 60
• 6位标志位：
URG：紧急指针是否有效
ACK：确认号是否有效
PSH：催促接收端应用程序立刻从TCP缓存区将数据读走
RST：携带该标识的称为复位报文段：对方要求重新建立连接
SYN：携带该标识的称为同步报文段：请求重新建立连接
FIN：携带该标识的称为结束报文段：通知对端，本端将关闭
• 16位窗口大小：表示接收方当前可用缓冲区空间（单位：字节），接收方通过该字段告知发送方最多可发送多少未确认数据。
• 16位校验和：发送端填充，CRC校验，不通过则认为数据有问题，此处校验和：TCP首部 + TCP数据
• 16位紧急指针：表示哪些部分数据是紧急数据
• 40字节头部选项：可变长扩展区域，用于增强协议功能并适应复杂网络需求。
TCP协议的十大核心机制共同构建了其可靠传输与高效通信的基础架构，下面我们将对各机制详细讲解
三、TCP协议的十大核心机制
3.1、确认应答（可靠机制）
发送方每发送一个数据段，接收方需返回 ACK 报文确认接收成功。通过序号（32位）和确认号（32位）标识数据位置，解决网络“后发先至”导致的乱序问题
在传输数据的过程中，TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号
下图为TCP的载荷部分，因为TCP面向字节流，一个TCP载荷由多个字节构成，编写时每个字节都要分配一个编号，且连续递增
每一个ACK都带有对应的确认序列号，ACK确认序号隐含表示此前所有数据均已正确接收，如ACK=2001意味着1-2000字节数据全部到达
发送方传输数据时，序号字段填写的是载荷部分第一个字节的序号，真正的数据在载荷，如此一来，接收方就可以根据序号对数据进行排序~
后发先至问题
网络波动在我们生活中很正常，当然在传输过程中也可能遇到一系列情况
TCP在接收方会有“接收缓冲区” （内存，操作系统内核中），先把通过网卡读到的数据放到缓冲区里，后续代码里调用read方法从缓冲区里来读
3.2、超时重传（可靠机制）
超时重传就是针对丢包的情况做出处理~~
在一段时间后，A未收到B返回的应答，那么A 会再次向B发送一个一样的数据包
那么，我们如何确定超时的时间呢？
TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信,因此会动态计算这个最大超时时间
• Linux中(BSDUnix和Windows也是如此),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.
• 如果重发⼀次之后,仍然得不到应答,等待2*500ms后再进行重传.
• 如果仍然得不到应答,等待 4*500ms 进行重传.依次类推,以指数形式递增.
• 累计到⼀定的重传次数,TCP认为网络或者对端主机出现异常,强制关闭连接
3.3、连接管理（可靠机制）
⚽ 建立连接的意义:
• 投石问路,确认当前通信路径是否畅通.
• 协商参数,通信双方共同确认⼀些通信中的必备参数数值
正常通信流程：
3.1、三次握手
以上来回三次通信即“三次握手”
目的：
• 初步探索网络的通信链路是否通畅（可靠传输的前提条件）
• 验证双方的发送能力和接收能力是否正常
• 协商通信过程的关键信息（序号从几开始，为了避免相邻的两次通信，序号是不从1开始的，而且两次连接传输的序号差别还很大）
3.2、四次挥手
3.4、滑动窗口（效率机制）
上文我们谈到数据传输过程，每发送一个数据包，都要等一个ACK响应，这种方法确实保证了TCP传输数据的可靠性，但是也是要付出代价滴~，在数据量较大且往返时间长的情况下，这种方法的效率低，性能差
这样一发一收的方式性能较低，那么我们是否可以一次发多个，一次收多个ACK应答，进行批量传输，发到一定量之后，再等待
• 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值，上图的窗口大小就是4000个字节 (四个段)
• 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送
• 收到第⼀个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据，依次类推
• 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答，只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉
• 窗口越大,则网络的吞吐率就越高
丢包情况一、数据到达，返回的ACK丢失
丢包情况二、数据包丢失
当序号为 1001-2000 的数据包丢失，发送端会一直收到 1001 这样的 ACK，若发送端连续收到 3 次这样重复的确认应答，就会把相应的数据重发一遍，此时接收端收到再次发送的数据后，就会直接返回 7001 的ACK应答 ，因为 2001-7000 的数据已被接收，放入到接收缓冲区中，这种机制被称为"高速重发控制"(也叫"快重传")
超时重传：传输的数据少，没有构成滑动窗口批量传输的形式
快速重传：数据量大，形成了滑动窗口
3.5、流量控制（效率机制）
针对滑动窗口机制，窗口越大，效率越高，但是不能 “无限大” ~~，接收端处理数据的速度是有限的，如果发的太快，接收端的缓冲区就会堆满，后面来的数据包就会丢包，继而引发丢包重传等一系列连锁反应
因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，这个机制就叫做流量控制(Flow Control)
• 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入TCP首部中的"窗口大小"字段，通过ACK端通知发送端
• 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端
• 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度;
• 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0，这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端
接收端就是把窗口大小的信息存放到TCP首部中16位的一个窗口字段，滑动窗口的大小是动态变化的
零窗口探测：当窗口为0时，发送方定期发送1字节探测包，直至接收方恢复可用窗口
16位数字最大表示65535，那么TCP窗口最大就是65535字节嘛，实际上，TCP首部40字节的选项中还包含一个窗口扩大因子M，实际窗口大小就是窗口字段的值左移M位
3.6、拥塞控制（效率机制）
刚谈到流量控制是依据接收方处理能力进行限制的，而拥塞控制则是依据传输链路的转发能力，进行限制的
网络上有大量计算机可能当前的网络状态已经比较拥堵，在不清楚当前网络状态下贸然发送大量数据，很可能会引发问题，故TCP引入慢启动机制，先发少量的数据，摸清当前的网络状态，再决定按照多大的速度进行传输数据
• 此处引入一个概念程为拥塞窗口
• 发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1
• 每次收到⼀个ACK应答，拥塞窗口加1
• 每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为实际发送的窗口
像上面这样的拥塞窗口增长速度,是指数级别的，"慢启动"只是指初使时慢,但是增长速度非常快
• 为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍
• 此处引入一个叫做慢启动的阈值
• 当拥塞窗口超过这个阈值的时候,不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长
• 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值
• 在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1
少量的丢包，我们触发超时重传，大量的丢包，我们就认为网络堵塞，大概流程如下：
3.7、延时应答（效率机制）
在前几个TCP机制中，接收方都是在收到数据包时，立即返回ACK应答，特别是在滑动窗口处，我们每次应答还需返回窗口大小，倘若我们多等一会再返回ACK应答，此时接受方的缓冲区内容就会一直被读取，等待的这一段时间后，我们再做出ACK应答，返回的窗口大小就可能比之前的大了，但要注意，不是所有包都可以延时应答
• 数量限制：每隔N个包就应答⼀次;
• 时间限制：超过最大延迟时间就应答⼀次;
3.8、捎带应答（效率机制）
捎带应答是在TCP延时应答的基础上引入的，通俗来说就是，返回业务数据的时候，顺便把上次的ACK也带过去
没有延时应答时，返回ACK的时机和返回响应的时机是不同的时机，引入延时应答，ACK的返回可以往后延长一段时间，返回响应的时候就可以把ACK顺便带回去，提高效率~~
数据与ACK合并：在双向通信中，业务数据报文可携带对反向数据的ACK，降低网络负载。例如，服务器响应请求时同时确认客户端数据
3.9、面向字节流与粘包处理（数据处理）
TCP协议是通过字节流的方式传输，在应用层很容易混淆包与包的界限，从而无法区分哪到哪是一个完整的应用层数据包
此问题在TCP层次上无解，需要在应用层解决，定义好应用层协议，明确包之间的边界~
1、约定包与包之间的分隔符（包的结束标记，如TCP回显服务器中的“ ”）
2、约定包的长度
而UDP则不存在粘包问题，因为UDP传输的是一整个数据报
3.10、异常处理（可靠性保障）
进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN，和正常关闭没有什么区别.
机器重启：和进程终止的情况相同.
机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，⼀旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了，就会进行reset，即使没有写入操作，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在，如果对方不在，也会把连接释放
复位报文：
