# 5.4 TCP可靠传输

## 一、TCP可靠传输概述

### 1.1 什么是可靠传输

**可靠传输**：
- 保证数据无差错、无丢失、无重复、按序到达
- TCP通过一系列机制实现可靠传输

### 1.2 TCP可靠传输的机制

- **序号机制**：为每个字节编号
- **确认机制**：累积确认
- **重传机制**：超时重传、快速重传
- **校验和**：检测数据错误
- **流量控制**：防止接收方溢出
- **拥塞控制**：防止网络过载

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## 二、序号机制

### 2.1 字节编号

**序号（Sequence Number）**：
- TCP把传输的数据看作字节流
- 为每个字节编号
- 报文段的序号是该报文段第一个字节的编号

**初始序号**：
- 连接建立时随机选择
- 防止历史连接干扰

### 2.2 序号空间

**32位序号**：
- 序号范围：0 ~ 2³²-1
- 可以循环使用
- 序号回绕问题（PAWS解决）

### 2.3 序号的作用

- **排序**：接收方按序号排序
- **去重**：识别重复的数据
- **确认**：确认号表示期望收到的下一个序号

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## 三、确认机制

### 3.1 累积确认

**累积确认（Cumulative Acknowledgment）**：
- 确认号表示期望收到的下一个字节的序号
- 表示该序号之前的所有数据都已正确接收

**例子**：
- 收到字节1-1000，发送ACK=1001
- 收到字节1001-2000，发送ACK=2001
- 收到字节3001-4000，发送ACK=2001（表示2001-3000未收到）

### 3.2 延迟确认

**延迟确认（Delayed ACK）**：
- 不立即发送确认
- 等待一段时间（通常200ms）
- 如果有数据要发送，捎带确认

**优点**：
- 减少ACK数量
- 提高效率

**缺点**：
- 增加延迟

### 3.3 快速确认

**快速确认**：
- 收到失序数据时立即发送重复ACK
- 用于触发快速重传

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## 四、重传机制

### 4.1 超时重传

**超时时间（RTO）**：
- Retransmission TimeOut
- 根据RTT动态计算

**RTO计算**：
```
RTTₛ = (1-α) × RTTₛ + α × RTT样本  （平滑RTT）
RTTd = (1-β) × RTTd + β × |RTTₛ - RTT样本|  （RTT偏差）
RTO = RTTₛ + 4 × RTTd
```

**超时处理**：
- 超时后重传该报文段
- RTO加倍（指数退避）
- 重传后如果收到ACK，恢复正常

### 4.2 快速重传

**快速重传（Fast Retransmit）**：
- 收到3个重复ACK，立即重传
- 不需要等待超时

**过程**：
1. 发送方发送报文段1、2、3、4、5
2. 报文段2丢失
3. 接收方收到1、3、4、5
4. 接收方对1发送重复ACK（ACK=2）
5. 收到3个重复ACK后，发送方重传2

**优点**：
- 减少重传延迟
- 提高效率

### 4.3 选择性重传

**选择性重传（Selective Repeat）**：
- 只重传丢失的报文段
- 需要接收方支持SACK

**SACK（Selective Acknowledgment）**：
- TCP选项
- 告诉发送方已收到的不连续的数据块
- 发送方只重传丢失的数据

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## 五、校验和

### 5.1 TCP校验和

**作用**：
- 检测TCP首部和数据的错误

**计算**：
- 包括伪首部、TCP首部、数据
- 伪首部包括源IP、目的IP、协议、TCP长度

**检验**：
- 接收方重新计算校验和
- 如果不匹配，丢弃该报文段

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## 六、TCP可靠传输的工作过程

### 6.1 发送方

1. **发送数据**：
   - 将数据分成报文段
   - 每个报文段有序号

2. **启动定时器**：
   - 为每个报文段启动定时器
   - 设置RTO

3. **收到ACK**：
   - 如果ACK确认了新数据，滑动窗口
   - 如果收到重复ACK，计数
   - 如果收到3个重复ACK，快速重传

4. **超时处理**：
   - 重传该报文段
   - RTO加倍

### 6.2 接收方

1. **接收数据**：
   - 检查校验和
   - 如果错误，丢弃

2. **按序到达**：
   - 交付给应用层
   - 发送ACK

3. **失序到达**：
   - 缓存（如果支持SACK）
   - 发送重复ACK

4. **重复到达**：
   - 丢弃
   - 发送ACK

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## 七、TCP可靠传输的示例

### 7.1 正常传输

```
发送方                    接收方
   |                        |
   |-------- SEQ=1 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=2 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=3 --------|
   |                        |
```

### 7.2 超时重传

```
发送方                    接收方
   |                        |
   |-------- SEQ=1 -------->|
   |                        |
   |-------- SEQ=2 -------->|
   |         (丢失)          |
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=3 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=4 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=2 -------->|  (超时重传)
   |                        |
   |<-------- ACK=5 --------|
   |                        |
```

### 7.3 快速重传

```
发送方                    接收方
   |                        |
   |-------- SEQ=1 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=2 -------->|
   |         (丢失)          |
   |                        |
   |-------- SEQ=3 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=4 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|
   |                        |
   |-------- SEQ=5 -------->|
   |                        |
   |<-------- ACK=2 --------|  (第3个重复ACK)
   |                        |
   |-------- SEQ=2 -------->|  (快速重传)
   |                        |
   |<-------- ACK=6 --------|
   |                        |
```

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## 八、考研重点

1. **TCP可靠传输的机制**：
   - 序号机制
   - 确认机制
   - 重传机制
   - 校验和

2. **序号机制**：
   - 字节编号
   - 序号空间
   - 序号的作用

3. **确认机制**：
   - 累积确认
   - 延迟确认
   - 快速确认

4. **重传机制**：
   - 超时重传：RTO计算
   - 快速重传：3个重复ACK
   - 选择性重传：SACK

5. **校验和**：
   - 作用
   - 计算

6. **TCP可靠传输的工作过程**

7. **TCP可靠传输的示例**

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*下一节：5.5 TCP流量控制*