TCP协议栈支持全双工数据传递，可以同时发送和接收。那么他是如何保证可靠性？如何解决丢包、乱序等问题的呢？

An Unreliable Protocol

我们先来看不可靠协议的传输机制，比如说网络层IP协议，它是不可靠的，尽管有ICMP（控制消息协议），但是没有ACK，任然是不可靠的。

如上图所示，每一条消息发出去之后，并不知道对方有没有收到。

Positive Acknowledgment with Retransmission

为了保证消息准确到达，出现了 PAR机制，也就是带重传的肯定确认机制。

如上图所示，每一条消息发出去之后，我们启动一个计时器，等待对方告诉我们是否收到这条消息了。如果超时了，则进行重传。优缺点也很明显：

1. 这样保证了传输可靠和顺序，适合数据交换频率低的场景。

2. 缺点也很明显，效率不是很高，单位时间内的网络吞吐量比较低。

Enhanced Positive Acknowledgment with Retransmission

增强版的PAR 机制解决了普通PAR机制的效率问题，同时保证了传输的可靠性。主要有以下优化点：

1. 增加了消息索引，一次可以发多条消息，每条消息单独确认；
2. 保留了消息的计时器；
3. 增加窗口机制，接收的负载，控制发送方的频率；

如上图所示，发送方可以发送多条消息，每一条消息启动一个计时器，等待消息的ACK。如果超时了，则进行重传；每一条消息会有一个窗口Limit参数，如果超过这个大小，发送方就不能继续发送。需要等待已发消息的ACK，也就是等待接收方处理完消息。

Sliding Window System

和增强版的 PAR 类似，TCP引入了 Sliding Window System 滑动窗口系统，实际上比前者要复杂很多。主要有以下更新：

1. 增加了Window参数，表示剩余可接受的窗口大小。

2. 增加了Seq（已发送的字节数）和Ack（已接收的字节数）。

发送窗口

因为TCP协议支持全双工的，那么有发送和接收这两个块缓冲区。我们先看发送的缓冲区：

我们来介绍下关键的几个名词：

1. Send Window
发送窗口，包含已发送待确认的窗口、未发送接收方准备好接收的窗口。

2. Already Sent Window
已发送的窗口，即已发送待确认的窗口。

3. Usable Window
可用窗口，即未发送接收方准备好接受的窗口。

4. Left Edge of Send Window
发送窗口的左边界，也就是已发送最后收到确认字节。

5. Right Edge of Send Window
发送窗口的右边界，也就是可以发送的最大字节。

接收窗口

接收的缓冲区比较简单，和发送窗口不一样，接收窗口没有待确认的部分:

1. Receiver Window
接收窗口。

2. Advertised Window
空闲的窗口，等于接收窗口 - 最后收到的字节。

窗口滑动

如上图这种情况，发送端发送了 3、4、5三个Segment，接收端收到了3、5，4丢失了，接收端会回复收到的连续字节最后的位置，也就是回一个ACK3的消息，发送端收到ACK3的消息后，窗口左边缘滑到4的位置，如下图所示：

如果超时还没有收到4的ACK，则进行重传。

SEQ ACK

仅仅依靠滑动窗口并不能解决丢包乱序的问题，还有两个很重要的元素就是序号和确认号。

1. Seq（Sequence number）

序号，跟踪已发送的数据，解决乱序问题。

1. SYN控制位=1，值为初始序列号 ISN（0 ~ 2^32-1），且段中第一个8位字节从 ISN+1 开始。
2. SYN控制位!=1，表示段中第一个8位字节的序号。

2. Ack（Acknowledgment number）

确认号，跟踪已接收的数据，解决丢包问题。

1. ACK控制位=1，表示已经接收的8位字节的序号（不包括当前序号），即希望接受的下一个序列号

我们来看下 rfc793 的描述。

简单理解就是：

1. Ack = 上一条收到的Seq+length
2. Seq = 上一条发送Seq+length

针对SEQ序号，有个比较有意思的是：

SYN 的 Segment 里，第一个字节从 ISN+1 开始，
其实可以间接的理解成 SYN Segment 也占一个字节的数据。那么接收方回复的 ACK 就是上一条的 Seq+1。

三次握手示例

我们通过wireshark的一次抓包，来分析一下seq和ack。

1. C —> S：SYN=1，seq=1296494712，len=0
2. S —> C：SYN ACK=1，seq=3037568749，ack=1296494713，len=0
3. C —> S：ACK=1，seq=1296494713，ack=1296494750，len=0
4. C —> S：PSH ACK=1，seq=1296494713，ack=3037568750，len=106
5. S —> C：PSH ACK=1，seq=3037568750，ack=1296494819，len=254

参考链接

TCP Sliding Window System

rfc793