面试题：网络编程之TCP协议可靠性基础

Question

在TCP协议中，有哪些机制来确保数据传输的可靠性？请简要阐述这些机制的工作原理。

Answer 1

1. 校验和（Checksum）：
   • 工作原理：发送方在发送数据时，会根据数据内容计算一个校验和，并将其放入TCP首部。接收方收到数据后，会对数据重新计算校验和，并与接收到的校验和进行比较。如果两者相等，说明数据在传输过程中大概率没有出错；如果不相等，则说明数据可能出现了错误，接收方会丢弃该数据段。
2. 序列号（Sequence Number）：
   • 工作原理：TCP给每个发送的字节都分配一个序列号。发送方按顺序发送数据段，每个数据段的首部包含该数据段第一个字节的序列号。接收方根据序列号对收到的数据段进行排序，以确保数据按正确顺序交付给应用层。此外，序列号还用于在重传时标记数据的位置，使得发送方知道重传的是哪些数据。
3. 确认应答（ACK）：
   • 工作原理：接收方在正确收到数据段后，会向发送方发送一个确认应答（ACK）报文。ACK报文中包含已成功接收数据段的序列号，表示接收方期望接收的下一个数据段的序列号。发送方只有收到相应数据段的ACK，才认为该数据段已被成功接收。如果在一定时间内（超时时间）未收到ACK，发送方会重传该数据段。
4. 超时重传（Retransmission）：
   • 工作原理：发送方发送数据段后，启动一个定时器。如果在定时器超时之前没有收到接收方的ACK，发送方会认为数据传输出现问题，将重传该数据段。超时时间通常会动态调整，根据网络状况和往返时间（RTT）的测量来确定，以避免不必要的重传或重传过晚。
5. 流量控制（Flow Control）：
   • 工作原理：接收方通过TCP首部中的窗口字段（Advertised Window）告诉发送方自己的接收缓冲区还有多少可用空间。发送方根据接收方通告的窗口大小来调整自己的发送速率，确保发送的数据量不会超过接收方的处理能力。如果接收方的缓冲区已满，它会将窗口大小通告为0，发送方收到窗口为0的通告后，会暂停发送数据，直到接收方重新通告一个非零的窗口大小。
6. 拥塞控制（Congestion Control）：
   • 工作原理：
     • 慢启动（Slow Start）：开始时，发送方将拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）初始化为一个较小的值（通常为1个最大段长度MSS）。每收到一个ACK，cwnd就增加一个MSS大小。这样，随着ACK的不断到达，cwnd以指数方式增长，快速增加发送速率。
     • 拥塞避免（Congestion Avoidance）：当cwnd增长到慢启动门限（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。此时，每收到一个ACK，cwnd只增加1/cwnd个MSS大小，即线性增长。这样可以避免网络拥塞的发生。
     • 快速重传（Fast Retransmit）：当发送方连续收到三个相同的ACK时，意味着可能有数据段丢失，但网络还没有拥塞。发送方会立即重传丢失的数据段，而不是等到超时。
     • 快速恢复（Fast Recovery）：在快速重传后，进入快速恢复阶段。ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd设置为ssthresh加上3倍的MSS（因为收到了三个重复ACK）。然后，进入拥塞避免阶段继续线性增长。如果发生超时，则ssthresh设置为当前cwnd的一半，cwnd重新设置为1个MSS，重新进入慢启动阶段。