第十问：TCP协议是怎么做到可靠性的？它的可靠指的是到哪一层的可靠？

TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的传输层协议，其可靠性是其核心特性之一。以下从底层原理逐步解释TCP的可靠性机制。

需要注意的是，TCP的可靠性指的是从传输层到传输层的可靠性，传输层之上地方的可靠性，是程序员的工作！

TCP可靠性的核心机制

1. 数据分片与排序

   • TCP将应用层的大量数据分片成适合传输的小数据包（Segment），每个数据包有一个序号（Sequence Number）。
   • 接收方通过序号重新排序，确保数据按照发送方的顺序还原。

2. 确认机制（ACK）

   • 每个数据包发送后，接收方需返回一个确认包（ACK）。
   • ACK中包含接收方期望收到的下一个字节的序号，确认了之前所有数据的正确接收。

3. 超时重传

   • 发送方在发送一个数据包后启动定时器，若未收到ACK且超时，发送方会重传该数据包。

4. 流量控制

   • TCP通过窗口机制（Sliding Window）控制发送方的发送速率，避免接收方缓冲区溢出。

5. 拥塞控制

   • TCP实现了复杂的拥塞控制算法（如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复），保证网络的稳定性和可靠性。

6. 校验和

   • TCP头部和数据部分均包含一个校验和（Checksum），用于校验数据是否在传输中损坏。

7. 数据完整性与丢包处理

   • TCP能够检测丢失的数据包并重传，同时对乱序数据包进行重新排序。

TCP可靠性机制详细表格

TCP可靠性机制工作流程图

以下是TCP可靠性机制的主要工作流程：

核心数据结构分析

TCP报文段格式

TCP报文段中一些关键字段与可靠性相关：

关键算法详解

超时重传的RTT估算

TCP的超时重传基于RTT（Round Trip Time）的动态估算：

1. 估算公式：

$$\text{RTT}_{\text{new}} = (1 - \alpha) \cdot \text{RTT}_{\text{old}} + \alpha \cdot \text{RTT}_{\text{measured}}$$

2. 超时间（RTO）计算：

$$\text{RTO} = \text{RTT}_{\text{new}} + 4 \cdot \text{RTT}_{\text{variance}}$$

滑动窗口与流量控制

1. 发送窗口：发送方可以发送的数据范围，受限于拥塞窗口（cwnd）和接收窗口（rwnd）。
2. 窗口调整：接收方根据当前的缓冲区大小动态调整rwnd。

总结

TCP的可靠性通过多层机制（如序列号、ACK、窗口控制和超时重传）共同实现，确保即使在复杂的网络环境下数据也能稳定传输。通过这些机制，TCP成为了现代网络中数据传输的核心协议。