TCP 的那些事兒（上）

TCP是一個(gè)巨復(fù)雜的協(xié)議，因?yàn)樗鉀Q很多問(wèn)題，而這些問(wèn)題又帶出了很多子問(wèn)題和陰暗面。所以學(xué)習(xí)TCP本身是個(gè)比較痛苦的過(guò)程，但對(duì)于學(xué)習(xí)的過(guò)程卻能讓人有很多收獲。關(guān)于TCP這個(gè)協(xié)議的細(xì)節(jié)，我還是推薦你去看W.Richard Stevens的《TCP/IP 詳解 卷1：協(xié)議》（當(dāng)然，你也可以去讀一下RFC793以及后面N多的RFC）。另外，本文我會(huì)使用英文術(shù)語(yǔ)，這樣方便你通過(guò)這些英文關(guān)鍵詞來(lái)查找相關(guān)的技術(shù)文檔。

之所以想寫(xiě)這篇文章，目的有三個(gè)，

一個(gè)是想鍛煉一下自己是否可以用簡(jiǎn)單的篇幅把這么復(fù)雜的TCP協(xié)議描清楚的能力。

另一個(gè)是覺(jué)得現(xiàn)在的好多程序員基本上不會(huì)認(rèn)認(rèn)真真地讀本書(shū)，喜歡快餐文化，所以，希望這篇快餐文章可以讓你對(duì)TCP這個(gè)古典技術(shù)有所了解，并能體會(huì)到軟件設(shè)計(jì)中的種種難處。并且你可以從中有一些軟件設(shè)計(jì)上的收獲。

最重要的希望這些基礎(chǔ)知識(shí)可以讓你搞清很多以前一些似是而非的東西，并且你能意識(shí)到基礎(chǔ)的重要。

所以，本文不會(huì)面面俱到，只是對(duì)TCP協(xié)議、算法和原理的科普。

我本來(lái)只想寫(xiě)一個(gè)篇幅的文章的，但是TCP真TMD的復(fù)雜，比C++復(fù)雜多了，這30多年來(lái)，各種優(yōu)化變種爭(zhēng)論和修改。所以，寫(xiě)著寫(xiě)著就發(fā)現(xiàn)只有砍成兩篇。

上篇中，主要向你介紹TCP協(xié)議的定義和丟包時(shí)的重傳機(jī)制。

下篇中，重點(diǎn)介紹TCP的流迭、擁塞處理。

廢話少說(shuō)，首先，我們需要知道TCP在網(wǎng)絡(luò)OSI的七層模型中的第四層——Transport層，IP在第三層——Network層，ARP在第二層——Data Link層，在第二層上的數(shù)據(jù)，我們叫Frame，在第三層上的數(shù)據(jù)叫Packet，第四層的數(shù)據(jù)叫Segment。

首先，我們需要知道，我們程序的數(shù)據(jù)首先會(huì)打到TCP的Segment中，然后TCP的Segment會(huì)打到IP的Packet中，然后再打到以太網(wǎng)Ethernet的Frame中，傳到對(duì)端后，各個(gè)層解析自己的協(xié)議，然后把數(shù)據(jù)交給更高層的協(xié)議處理。

TCP頭格式

接下來(lái)，我們來(lái)看一下TCP頭的格式

TCP頭格式（圖片來(lái)源）

你需要注意這么幾點(diǎn)：

TCP的包是沒(méi)有IP地址的，那是IP層上的事。但是有源端口和目標(biāo)端口。

一個(gè)TCP連接需要四個(gè)元組來(lái)表示是同一個(gè)連接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）準(zhǔn)確說(shuō)是五元組，還有一個(gè)是協(xié)議。但因?yàn)檫@里只是說(shuō)TCP協(xié)議，所以，這里我只說(shuō)四元組。

注意上圖中的四個(gè)非常重要的東西：

Sequence Number是包的序號(hào)，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)包亂序（reordering）問(wèn)題。

Acknowledgement Number就是ACK——用于確認(rèn)收到，用來(lái)解決不丟包的問(wèn)題。

Window又叫AdverTIsed-Window，也就是著名的滑動(dòng)窗口（Sliding Window），用于解決流控的。

TCP Flag ，也就是包的類型，主要是用于操控TCP的狀態(tài)機(jī)的。

關(guān)于其它的東西，可以參看下面的圖示

TCP的狀態(tài)機(jī)

其實(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的傳輸是沒(méi)有連接的，包括TCP也是一樣的。而TCP所謂的“連接”，其實(shí)只不過(guò)是在通訊的雙方維護(hù)一個(gè)“連接狀態(tài)”，讓它看上去好像有連接一樣。所以，TCP的狀態(tài)變換是非常重要的。

下面是：“TCP協(xié)議的狀態(tài)機(jī)”（圖片來(lái)源） 和 “TCP建鏈接”、“TCP斷鏈接”、“傳數(shù)據(jù)” 的對(duì)照?qǐng)D，我把兩個(gè)圖并排放在一起，這樣方便在你對(duì)照著看。另外，下面這兩個(gè)圖非常非常的重要，你一定要記牢。（吐個(gè)槽：看到這樣復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，就知道這個(gè)協(xié)議有多復(fù)雜，復(fù)雜的東西總是有很多坑爹的事情，所以TCP協(xié)議其實(shí)也挺坑爹的）

很多人會(huì)問(wèn)，為什么建鏈接要3次握手，斷鏈接需要4次揮手？

對(duì)于建鏈接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的雙方要互相通知對(duì)方自己的初始化的Sequence Number（縮寫(xiě)為ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全稱Synchronize Sequence Numbers。也就上圖中的 x 和 y。這個(gè)號(hào)要作為以后的數(shù)據(jù)通信的序號(hào)，以保證應(yīng)用層接收到的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的傳輸?shù)膯?wèn)題而亂序（TCP會(huì)用這個(gè)序號(hào)來(lái)拼接數(shù)據(jù)）。