详解TCP：顺序和丢包问题

　　为了保证顺序性，每一个包都有一个 ID。在建立连接的时候，会商定起始的 ID 是什么，然后按照 ID 一个个发送。假设A发给B的数据流由一个500 000字节的文件组成，MSS为1000字节。数据流的首字节ID为０，那么TCP会将这个文件分为500个报文段，每一个报文段的首部序号字段中分别为0、1000、2000...

 如果第二个报文段先于第一个到B，也就是包的顺序出错。TCP RFC中并没有详细描述对这种问题的处理，一般是工程师自己来解决。一般有两种方案：1）B立即丢弃失序报文段 2）B保留这个报文段，并等待缺少的字节来填补该间隔，第二种是常用的方法。

　　为了保证不丢包，对于发送的包都要进行应答。具体是怎么实现的呢？比如发一个确认一个，很明显这样效率太低。TCP采用的是累计确认，例如确认号是5，代表5之前序号的包都收到了。A首部中的确认号是期望从B收到的下一个字节的序号。为了记录所有发送的包和就收的包，TCP发送端和接收端都用缓存来保存这些记录。发送端的缓存里是按照包的 ID 一个个排列根据处理的情况分成四个部分:

• 发送了并且已经确认的
• 发送了并且尚未确认的
• 没有发送，但是已经等待发送的
• 没有发送，并且暂时还不会发送的

为什么没有发送的要分为两种呢？这里就涉及到流量控制了。流量控制是一个 速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读取速率相匹配。 在 TCP 里，接收端会给发送端报一个窗口的大小，叫Advertised window。这个窗口的大小应该等于上面的2、3之和，就是已经交代了没做完的加上马上要交代的。超过这个窗口大小的，接收端做不过来，就不能发送了。发送端的数据结构如下：

对于接收端来讲，它的缓存里记录的内容要简单一些。第一部分：接受并且确认过的；第二部分：还没接收，但是马上就能接收的；第三部分：还没接收，也没法接收的。对应的数据结构为：

LastByteRead 之后是已经接收了，但是还没被应用层读取的；NextByteExpected 是第一部分和第二部分的分界线；MaxRcvBuffer：'大缓存的量；以上面的图为例，在发送端来看，1、2、3 已经发送并确认；4、5、6、7、8、9 都是发送了还没确认； 10、11、12 是还没发出的；13、14、15 是接收方没有空间，不准备发的。 在接收端来看，1、2、3、4、5 是已经完成 ACK，但是没读取的；6、7 是等待接收的；8、9 是已经接收，但是没有 ACK 的。

　　发送端和接收端当前的状态为：

• 1、2、3 没有问题，双方达成了一致。
• 4、5 接收方说 ACK 了，但是发送方还没收到，有可能丢了，有可能在路上。
• 6、7、8、9 肯定都发了，但是 8、9 已经到了，但是 6、7 没到，出现了乱序，缓存着但是没办法 ACK。

假设 4 的确认到了，不幸的是，5 的 ACK 丢了，6、7 的数据包丢了，这该怎么办呢？一种方法就是超时重试，即对每一个已经发送了但是没有 ACK 的包，都有设一个定时器，超过了一定时间，就重发。但是这个超时的时间如何评估呢？这个时间不宜过短，时间必须大于包的往返时间 RTT，否则会引起不必要的重传。也不宜过长，这样超时时间变长，访问就变慢了。如果过一段时间，5、6、7 都超时了，就会重新发送。接收方发现 5 原来接收过，于是丢弃 5；6 收到了，发送 ACK，要求下一个是 7，7 不幸又丢了。当 7 再次超时又需要重传的时候，TCP 的策略是超时间隔加倍。每当遇到一次超时重传的时候，都会将下一次超时时间间隔设为先前值的两倍。两次超时，就说明网络环境差，不宜频繁反复发送。

　　超时触发重传存在的问题是，超时周期可能相对较长。那是不是可以有更快的方式呢？就是快重传机制。当接收方收到一个序号大于下一个所期望的报文段时，就检测到了数据流中的一个间格，于是发送三个冗余的 ACK，客户端收到后，就在定时器过期之前，重传丢失的报文段。例如，接收方发现 6、8、9 都已经接收了，就是 7 没来，那肯定是丢了，于是发送三个 6 的 ACK，要 求下一个是 7。客户端收到 3 个，就会发现 7 的确又丢了，不等超时，马上重发，这样明显缩短了超时周期。快重传在拥塞控制中也会用到，如何使用的细节在下一篇文章中讲解。还有一种方式称为Selective Acknowledgment （SACK）。这种方式需要在 TCP 头里加一个 SACK 的 东西，可以将缓存的地图发送给发送方。例如可以发送 ACK6、SACK8、SACK9，有了地图，发送方一下子就能看出来是 7 丢了。

参考资料：《趣谈网络协议》刘超

　　　　　《计算机网络：自顶向下方法》原书第六版 陈鸣译