作者：熱愛生活的小胖胖
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你是一臺電腦，你的名字叫 A
經(jīng)過《如果讓你來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)》這篇文章中的一番折騰，只要你知道另一位伙伴 B 的 IP 地址，且你們之間的網(wǎng)絡(luò)是通的，無論多遠(yuǎn)，你都可以將一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給你的伙伴 B
這就是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層這三層所做的事情。站在第四層的你，就可以不要臉地利用下三層所做的鋪墊，隨心所欲地發(fā)送數(shù)據(jù)，而不必?fù)?dān)心找不到對方了。
雖然你此時還什么都沒干，但你還是給自己這一層起了個響亮的名字，叫做傳輸層。你本以為自己所在的第四層萬事大吉，啥事沒有，但很快問題就接踵而至。
問題來了
前三層協(xié)議只能把數(shù)據(jù)包從一個主機搬到另外一臺主機，但是，到了目的地以后，數(shù)據(jù)包具體交給哪個程序（進(jìn)程）呢？
所以，你需要把通信的進(jìn)程區(qū)分開來，于是就給每個進(jìn)程分配一個數(shù)字編號，你給它起了一個響亮的名字：端口號。
然后你在要發(fā)送的數(shù)據(jù)包上，增加了傳輸層的頭部，源端口號與目標(biāo)端口號。
OK，這樣你將原本主機到主機的通信，升級為了進(jìn)程和進(jìn)程之間的通信。你沒有意識到，你不知不覺實現(xiàn)了UDP 協(xié)議?。ó?dāng)然 UDP 協(xié)議中不光有源端口和目標(biāo)端口，還有數(shù)據(jù)包長度和校驗值，我們暫且略過）就這樣，你用 UDP 協(xié)議無憂無慮地同 B 進(jìn)行著通信，一直沒發(fā)生什么問題。
但很快，你發(fā)現(xiàn)事情變得非常復(fù)雜......
丟包問題
由于網(wǎng)絡(luò)的不可靠，數(shù)據(jù)包可能在半路丟失，而 A 和 B 卻無法察覺。
對于丟包問題，只要解決兩個事就好了。第一個，A 怎么知道包丟了？答案：讓 B 告訴 A第二個，丟了的包怎么辦？答案：重傳于是你設(shè)計了如下方案，A 每發(fā)一個包，都必須收到來自 B 的確認(rèn)（ACK），再發(fā)下一個，否則在一定時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)，就重傳這個包。
你管它叫停止等待協(xié)議。只要按照這個協(xié)議來，雖然 A 無法保證 B 一定能收到包，但 A 能夠確認(rèn) B 是否收到了包，收不到就重試，盡最大努力讓這個通信過程變得可靠，于是你們現(xiàn)在的通信過程又有了一個新的特征，可靠交付。
效率問題
停止等待雖然能解決問題，但是效率太低了，A 原本可以在發(fā)完第一個數(shù)據(jù)包之后立刻開始發(fā)第二個數(shù)據(jù)包，但由于停止等待協(xié)議，A 必須等數(shù)據(jù)包到達(dá)了 B ，且 B 的 ACK 包又回到了 A，才可以繼續(xù)發(fā)第二個數(shù)據(jù)包，這效率慢得可不是一點兩點。于是你對這個過程進(jìn)行了改進(jìn)，采用流水線的方式，不再傻傻地等。
順序問題
但是網(wǎng)路是復(fù)雜的、不可靠的。有的時候 A 發(fā)出去的數(shù)據(jù)包，分別走了不同的路由到達(dá) B，可能無法保證和發(fā)送數(shù)據(jù)包時一樣的順序。
在流水線中有多個數(shù)據(jù)包和ACK包在亂序流動，他們之間對應(yīng)關(guān)系就亂掉了。難道還回到停止等待協(xié)議？A 每收到一個包的確認(rèn)（ACK）再發(fā)下一個包，那就根本不存在順序問題。應(yīng)該有更好的辦法！A 在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中增加一個序號（seq），同時 B 要在 ACK 包上增加一個確認(rèn)號（ack），這樣不但解決了停止等待協(xié)議的效率問題，也通過這樣標(biāo)序號的方式解決了順序問題。
而 B 這個確認(rèn)號意味深長：比如 B 發(fā)了一個確認(rèn)號為 ack = 3，它不僅僅表示 A 發(fā)送的序號為 2 的包收到了，還表示 2 之前的數(shù)據(jù)包都收到了。這種方式叫累計確認(rèn)或累計應(yīng)答。
注意，實際上 ack 的號是收到的最后一個數(shù)據(jù)包的序號 seq + 1，也就是告訴對方下一個應(yīng)該發(fā)的序號是多少。但圖中為了便于理解，ack 就表示收到的那個序號，不必糾結(jié)。
流量問題
有的時候，A 發(fā)送數(shù)據(jù)包的速度太快，而 B 的接收能力不夠，但 B 卻沒有告知 A 這個情況。
怎么解決呢？很簡單，B 告訴 A 自己的接收能力，A 根據(jù) B 的接收能力，相應(yīng)控制自己的發(fā)送速率，就好了。B 怎么告訴 A 呢？B 跟 A 說"我很強"這三個字么？那肯定不行，得有一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范。于是 B 決定，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包給 A 時，順帶傳過來一個值，叫窗口大小（win)，這個值就表示 B 的接收能力。同理，每次 A 給 B 發(fā)包時也帶上自己的窗口大小，表示 A 的接收能力。
B 告訴了 A 自己的窗口大小值，A 怎么利用它去做 A 這邊發(fā)包的流量控制呢？很簡單，假如 B 給 A 傳過來的窗口大小 win = 5，那 A 根據(jù)這個值，把自己要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成這么幾類。
圖片過于清晰，就不再文字解釋了。當(dāng) A 不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包時，已發(fā)送的最后一個序號就往右移動，直到碰到了窗口的上邊界，此時 A 就無法繼續(xù)發(fā)包，達(dá)到了流量控制。
但是當(dāng) A 不斷發(fā)包的同時，A 也會收到來自 B 的確認(rèn)包，此時整個窗口會往右移動，因此上邊界也往右移動，A 就能發(fā)更多的數(shù)據(jù)包了。
以上都是在窗口大小不變的情況下，而 B 在發(fā)給 A 的 ACK 包中，每一個都可以重新設(shè)置一個新的窗口大小，如果 A 收到了一個新的窗口大小值，A 會隨之調(diào)整。如果 A 收到了比原窗口值更大的窗口大小，比如 win = 6，則 A 會直接將窗口上邊界向右移動 1 個單位。
如果 A 收到了比原窗口值小的窗口大小，比如 win = 4，則 A 暫時不會改變窗口大小，更不會將窗口上邊界向左移動，而是等著 ACK 的到來，不斷將左邊界向右移動，直到窗口大小值收縮到新大小為止。
OK，終于將流量控制問題解決得差不多了，你看著上面一個個小動圖，給這個窗口起了一個更生動的名字，滑動窗口。
擁塞問題
但有的時候，不是 B 的接受能力不夠，而是網(wǎng)絡(luò)不太好，造成了網(wǎng)絡(luò)擁塞。
擁塞控制與流量控制有些像，但流量控制是受 B 的接收能力影響，而擁塞控制是受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響。擁塞控制的解決辦法依然是通過設(shè)置一定的窗口大小，只不過，流量控制的窗口大小是 B 直接告訴 A 的，而擁塞控制的窗口大小按理說就應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境主動告訴 A。但網(wǎng)絡(luò)環(huán)境怎么可能主動告訴 A 呢？只能 A 單方面通過試探，不斷感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞，進(jìn)而確定自己的擁塞窗口的大小。
擁塞窗口大小的計算有很多復(fù)雜的算法，就不在本文中展開了，假如擁塞窗口的大小為 cwnd，上一部分流量控制的滑動窗口的大小為 rwnd，那么窗口的右邊界受這兩個值共同的影響，需要取它倆的最小值。窗口大小 = min(cwnd, rwnd)含義很容易理解，當(dāng) B 的接受能力比較差時，即使網(wǎng)絡(luò)非常通暢，A 也需要根據(jù) B 的接收能力限制自己的發(fā)送窗口。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較差時，即使 B 有很強的接收能力，A 也要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況來限制自己的發(fā)送窗口。正所謂受其短板的影響嘛~
連接問題
有的時候，B 主機的相應(yīng)進(jìn)程還沒有準(zhǔn)備好或是掛掉了，A 就開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致了浪費。
這個問題在于，A 在跟 B 通信之前，沒有事先確認(rèn) B 是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，就開始發(fā)了一連串的信息。就好比你和另一個人打電話，你還沒有"喂"一下確認(rèn)對方有沒有在聽，你就巴拉巴拉說了一堆。這個問題該怎么解決呢？地球人都知道，三次握手嘛！
A：我準(zhǔn)備好了(SYN)
B：我知道了(ACK)，我也準(zhǔn)備好了(SYN)
A：我知道了(ACK)
A 與 B 各自在內(nèi)存中維護(hù)著自己的狀態(tài)變量，三次握手之后，雙方的狀態(tài)都變成了連接已建立（ESTABLISHED）。雖然就只是發(fā)了三次數(shù)據(jù)包，并且在各自的內(nèi)存中維護(hù)了狀態(tài)變量，但這么說總覺得太 low，你看這個過程相當(dāng)于雙方建立連接的過程，于是你靈機一動，就叫它面向連接吧。注意：這個連接是虛擬的，是由 A 和 B 這兩個終端共同維護(hù)的，在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根本就不知道連接這回事兒！但凡事有始就有終，有了建立連接的過程，就要考慮釋放連接的過程，又是地球人都知道，四次揮手嘛！
A：再見，我要關(guān)閉了(FIN)
B：我知道了(ACK)
給 B 一段時間把自己的事情處理完...
B：再見，我要關(guān)閉了(FIN)
A：我知道了(ACK)
總結(jié)
以上講述的，就是 TCP 協(xié)議的核心思想，上面過程中需要傳輸?shù)男畔ⅲ腕w現(xiàn)在 TCP 協(xié)議的頭部，這里放上最常見的 TCP 協(xié)議頭解讀的圖。
不知道你現(xiàn)在再看下面這句話，是否能理解：TCP 是面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議面向連接、可靠，這兩個詞通過上面的講述很容易理解，那什么叫做基于字節(jié)流呢？很簡單，TCP 在建立連接時，需要告訴對方 MSS（最大報文段大?。?。也就是說，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)很大，在 TCP 層是需要按照 MSS 來切割成一個個的TCP 報文段 的。切割的時候我才不管你原來的數(shù)據(jù)表示什么意思，需要在哪里斷句啥的，我就把它當(dāng)成一串毫無意義的字節(jié)，在我想要切割的地方咔嚓就來一刀，標(biāo)上序號，只要接收方再根據(jù)這個序號拼成最終想要的完整數(shù)據(jù)就行了。在我 TCP 傳輸這里，我就把它當(dāng)做一個個的字節(jié)，也就是基于字節(jié)流的含義了。
最后留給大家一個作業(yè)，模擬 A 與 B 建立一個 TCP 連接。
第一題：A 給 B 發(fā)送 "aaa" ，然后 B 給 A 回復(fù)一個簡單的字符串 "success"，并將此過程抓包。
第二題：A 給 B 發(fā)送 "aaaaaa ... a" 超過最大報文段大小，然后 B 給 A 回復(fù)一個簡單的字符串 "success"，并將此過程抓包。
下面是我抓的包（第二題）
三次握手階段
A -> B [SYN] Seq=0 Win=64240 Len=0
MSS=1460 WS=256
B - >A [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=29200 Len=0
MSS=1424 WS=512
A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=0
數(shù)據(jù)發(fā)送階段
A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=1424
A -> B [ACK] Seq=1425 Ack=1 Win=132352 Len=1424
A -> B [PSH, ACK] Seq=2849 Ack=1 Win=132352 Len=1247
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=1425 Win=32256 Len=0
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=2849 Win=35328 Len=0
B -> A [ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=0
B -> A [PSH, ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=7
四次揮手階段
B -> A [FIN, ACK] Seq=8 Ack=4096 Win=37888 Len=0
A -> B [ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0
A -> B [FIN, ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0（下面少復(fù)制了一行ACK，抱歉）
詳細(xì)的抓包數(shù)據(jù)與分析整理，就不在文章里展示了，可以在公眾號低并發(fā)編程后臺回復(fù)TCP獲取。
后記一提到 TCP，可能很多人都想起被三次握手和四次揮手所支配的恐懼。但其實你跟著文中的思路你就會發(fā)現(xiàn)，三次握手與四次揮手只占 TCP 所解決的核心問題中很小的一部分，只是因為它在面試中很適合作為知識點進(jìn)行考察，所以在很多人的印象中就好像 TCP 的核心就是握手和揮手似的。
本文希望你能從問題出發(fā)，真正理解 TCP 所想要解決的問題，你會發(fā)現(xiàn)很多原理就好像生活常識一樣順其自然，并不復(fù)雜，希望你有收獲～
