日新计划6月更文 Day 9
上文提到 UDP 是对 IP 协议的简单扩展，具有无连接、不可靠的特性。接下来我们来介绍面向连接的可靠数据传输协议 TCP（Transport Control Protocol，传输控制协议）「RFC 793, RFC 1122, RFC 1323, RFC 2018, RFC 2581」。
TCP 是点对点（Point to Point）、可靠有序、流水线（Pipelined）式、全双工（Full Duplex）、面向连接（Connection-Oriented）、具有流量控制（Flow Controlled）的数据传输协议，其实现非常复杂，下面仅对其部分特性的实现进行探讨。
TCP 的数据段格式更加复杂：
| 源端口号（16 bits） | 目的端口号（16 bits） | ||||||||||||||
| sequence number（32 bits） | |||||||||||||||
| acknowledgement （32 bits） | |||||||||||||||
| head len（4 bits） | not used（6 bits） | URG | ACK | PSH | PST | SYN | FIN | receive window（16 bits） | |||||||
| checksum（16 bits） | Urg data pointer（16 bits） | ||||||||||||||
| options （16 bits * n） | |||||||||||||||
| application data （16 bits * n） | |||||||||||||||
其中“sequence number”（Seq）表示该数据段的编号，根据发送方发送顺序依次递增；“acknowledgement ”（Ack）表示该端希望接收到的下一个数据段的编号。
如果某个数据段丢失（接收方一段时间内未收到），该方后续发送的数据段的 Ack 始终是该数据段的编号直至对方重传并收到该数据段。
为了避免发送方发送过多，接收方在给发送方的回复中会有rwnd（Receiver Window）来标识接收方空闲缓冲区大小，使用滑动窗口算法进行限速；为了防止拥塞，双方协商cwnd（Congestion Window，拥塞窗口）来决定发送速度。
在TCP通信建立初期，处于慢启动（slow start）阶段，初始 cwnd = 1MSS（Maximum Segment Size，最大报文长度），每收到一个 ACK，cwnd ++，直到 cwnd 达到阈值 ssthresh。该过程正常情况下传输速度呈指数级增长。
cwnd 达到阈值 ssthresh 后，cwnd 随时间均匀增大，每经过一个 RTT cwnd++，称为拥塞避免（Congestion Avoidance ）。
当收到三个相同 ACK 或超时但未收到某个数据段的 ACK 后，发送方立即重传该数据段并将 ssthresh 修改为 当时 cwnd 的一半，将 cwnd 修改为 1，这称为“快重传”（Fast Retransmit）。
上述是 TCP 早期拥塞控制 Tahoe，后期的 Reno 引入了“快恢复”（Fast Recovery），即在收到三个相同 ACK 后不将 cwnd 置为 1 而是置为 修改后的 ssthresh + 3。
建立 TCP 连接需要进行三次握手：
- 客户端向服务端发送 SYN=1，Seq=x（每次随机选择一个）的 TCP 数据段
- 服务端向客户端发送 SYN=1，ACK=1，Seq=y（同样每次随机选一个），Ack=x+1 的 TCP 数据段
- 客户端向服务端发送 ACK=1，Seq=x+1，Ack=y+1 的 TCP 数据段
结束 TCP 连接需要进行四次挥手：
- 客户端向服务器发送 FIN=1，Seq=u 的 TCP 数据段，请求断开连接
- 服务器向客户端发送ACK=1，Seq=v，Ack=u+1 的数据段
- 服务端发送 FIN=1，ACK=1，Seq=w，Ack=u+1 的数据段，请求断开连接
- 客户端发送 ACK=1，Seq=u+1，Ack=w+1 的数
