1、TCP重傳機制

通過序列號和確認號確保可靠傳輸，當發送端發送數據給接收到，接收端會返回一個確認號，表示收到消息了

超時重傳：沒有在指定時間內收到ACK報文
- 超時重傳的兩種可能：數據包丟失、確認包丟失
- 超時重傳時間RTO:
  - RTO較大：重發就變慢了，丟包之后需要半天才能重發，效率低
  - RTO較小：可能沒有丟包，還在等待ACK過程中，就重發了，會導致網絡擁塞，進而導致更多的超時重發
  - 所以RTO需要略大于報文往返的時間RTT(數據發送到接收到ACK的時間差)
- 由于網絡波動問題，RTT可能不是固定的，所以RTO對應也不是固定的
- 一般超時重傳一次，下一次超時重傳的間隔會加倍，避免網絡環境差的頻繁發送
快速重傳：
- 超時重傳的問題：重傳周期可能很長(時間會加倍)，快速重傳可以解決這個問題，以數據為驅動作為重傳
- 發送了數據包seq1~seq5,
  - 發送端發送seq1，接收端回復ack=2，表示接收到包1
  - seq2丟失
  - 發送端連續發送seq3~seq5，接收端會重復返回ack=2
  - 連續三次ack=2，觸發快速重傳，重復seq2
  - 由于接收到了seq3~seq5，發送端會返回ack=6
- 快速重傳只解決了超時問題，但是還有一個問題：重傳的時候重傳一個還是所有數據包
- 因為如果只重傳一個，當有兩個數據包丟失的時候，需要判斷兩次返回的ack(三次重復)，來進行單包重傳，效率低
- 如果重傳所有，就會有多余的包被重新發送，無用功
SACK：選擇性確認,可以知道哪些數據丟失了
- 需要TCP頭部選項字段中，添加一個SACK，可以將已接收到的數據的信息發送給發送方，發送方就知道了哪些數據丟失了，從而只發送丟失的數據
- 在快速重傳的基礎上，發送方收到三次相同的ack報文，觸發快速重傳機制，通過SACK信息可以知道哪段數據丟失了，只對丟失的數據重傳
D-SACK：通過SACK告訴發送端哪些數據被重復接收了
- 可以讓發送端知道是包丟失，還是ACK包丟失了
- 可以知道發送的數據包是不是被網絡延遲了
- 可以知道網絡中是不是把發送端的數據包給復制了
小結：
- 如果數據包丟失或者ACK包丟失，超過一定時間會觸發超時重傳，超時時間RTO略大于RTT時間(發送數據到接收ACK包的時間間隔)
- 為了解決超時等待的時間，提高效率，就有了快速重傳，當有一個包丟失的時候，可以通過判斷重復的ack進行快速重傳，通過在TCP頭部的選項字段里面添加SACK，就可以知道哪些包是丟失的，從而只重傳丟失的包
- 如果在ACK包丟失，導致的超時重傳，發送端接收到接收端SACK從而知道收到了重復數據，這個SACK就是D-SACK，如果一個包由于網絡問題導致的快速重傳，也可以通過D-SACK來進行判斷

2、TCP滑動窗口

TCP每次發送數據都要進行確認應答，當上一個包收到應答了再發下一個

如果是一問一答的形式，則數據包往返的時間周期越長，通信效率就越低
為了解決上面的問題，就有窗口概念，
- 可以指定窗口大小，窗口大小是不需要等待確認應答，可以繼續發送數據的最大值
- 窗口是內核里面開辟的緩存區，需要保留發送的數據，只有收到應答才會從緩沖區中刪除
- 在TCP頭部可以指定窗口大小，發送端會根據ACK返回的窗口大小，來發送數據，從而保證對端可以正常接收數據，所以窗口大小是由接收端決定的
發送端的窗口：
- 有兩個絕對指針：一個指向沒有收到ack的第一個字節的序列號，一個指向窗口中可用空間的第一個字節的序列號
- 會根據ACK報文中的窗口大小進行調整，因為應用層不一定及時收數據
- 此外，如果發送端窗口滿了，沒有及時收到ACK，就不能在應用層進行發送數據，如果序列號較前的收到ack，窗口會向右移動，存在可發空間，應用層可以繼續拷貝發送數據
接收端的窗口：可以接收發送端發送的數據量，一次能處理的數據量
- 只有一個絕對指針，指向期望對端發送來的下一個字節的序列號
- 窗口里面是還沒進行確認的數據，也就是還沒收到的數據，但是可以接收的數據大小
發送端窗口約等于接收端窗口，因為傳輸存在延遲，不一定及時調整窗口大小，所以是約等于
小結：
- 三次握手確定窗口大小，接收端能接收多少數據，發送端根據接收端數據進行調整，去發送數據，在發送端窗口大小內，發送端可以一直發，并等待接收端返回ack確認號來發送窗口移動，每次ack報文都會攜帶窗口大小，可能會改變；

3、TCP流量控制

利用滑動窗口實現流量控制，發送端不能一股腦的發過去，如果對方處理不過來就會觸發重傳機制

流量控制：發送方根據接收方的實際接收能力發送數據，也就是接收端滑動窗口的大小
TCP內核緩沖區和滑動窗口的關系：緩沖區大小會影響窗口大小
- 應用層不及時收取數據，會導致窗口變小：
  - TCP滑動窗口(指針實現)是處于TCP緩沖區中間的，如果接收端接收到數據并返回ACK，但是應用層沒有及時收取，當緩沖區內存不夠，可能會導致滑動窗口變小，當窗口大小變成0，就發生了窗口關閉
- 系統資源減少，會導致緩沖區變小：
  - 如果用戶空間沒有及時讀取緩沖區數據，并且接收緩沖區由于系統資源突然變小，發送端來不及調整，會導致數據丟包現象，這是因為先減少緩沖區再收縮窗口
  - 所以不允許同時減少緩沖又收縮窗口，而先收縮窗口后一段時間再減少緩沖，從而避免丟包
窗口關閉：
- 窗口大小為0的情況，就會阻止發送端發送數據，直到大小變成非0
- 如果接收端窗口變成非0，會通過發送攜帶窗口大小的ACK報文，如果ACK報文丟失，發送端會一直等待，造成死鎖問題
- 如何避免死鎖問題：當窗口關閉，就會啟動一個持續計時器，如果超時就會發送一個窗口探測報文，接收端收到這個報文，就會返回一個攜帶當前窗口大小的ACK報文，如果窗口依舊為0，就會重啟持續計時器
糊涂窗口綜合癥
- 接收端太忙，會導致發送端的窗口越來越小，到最后只有接收端騰出字節空間，發送端就會馬上發送，但是TCP/IP包頭就有40字節，有數據就傳輸的話，開銷太大了
- 導致的原因是：
  - 接收端告知小窗口大小
  - 發送端發送小數據
- 如何避免：
  - 接收方不告知小窗口，窗口小于某個值就發送窗口為0的ACK，阻止對端發送數據
  - 發送發避免發送小數據，開啟Nagle算法，避免小包發送
Nagle算法思想，延時處理，滿足下面一個條件即可：
- 窗口大小>=MSS并且數據大小>=MSS
- 收到前一個數據的ack報文
一般需要搭配不通知小窗口給發送方+開啟Nagle算法才能避免糊涂窗口綜合癥

4、TCP擁塞控制

流量控制：是為了避免，發送端數據填滿接收端的緩存，但是流量控制并不知道網絡中發送的情況
網絡擁塞：網絡發生擁堵的時候，繼續發送大量數據包，就可能導致數據包延時、丟失等情況，TCP就會重傳數據，一旦重傳就會導致網絡更加擁堵，從而不斷惡性循環
擁塞控制：避免發送方的數據填滿整個網絡，并且為了調節發送數據的量，定義了一個擁塞窗口(cwnd)的概念
擁塞窗口(cwnd)：是發送方維護的一個狀態變量，會根據網絡的擁塞程度進行變化，滑動的發送窗口=min(滑動的接收窗口，擁塞窗口)，當網絡沒有出現擁塞，cwnd窗口就會越大，當網絡出現擁塞，cwnd就會越小
如何判斷網絡擁塞：發送方沒有在指定時間接收到ACK應答報文，也就是發送超時重傳，就會認為網絡出現擁塞了
擁塞控制主要是四算法：
- 慢啟動：(指數增長)
  - TCP建立連接后，一點點點提高數據包發送的數量，發送端沒收到一個ACK,擁塞窗口cwnd的大小就會+1;
  - 存在一個慢啟動門限ssthresh，如果cwnd<ssthresh使用的就是慢啟動算法，如果cwnd>=ssthresh，就使用擁塞避免算法；ssthresh一般大小為65535字節
- 擁塞避免：
  - 沒收到一個ACK，cwnd增加1/cwnd，是為了確保cwnd的線性增長
  - 如果一直保持增長，網絡就會慢慢進入擁塞狀態，從而出現了丟包現象
  - 如果觸發了重傳機制，就會進入擁塞發生算法
- 擁塞發送：
  - 發生重傳(超時、快速)的時候就會進入擁塞發生算法
  - 超時重傳的擁塞發生：
    - ssthresh會設置為cwnd/2,并且cwnd會回復為初始值，linux的初始值是10(10個MSS)；
    - 設置完ssthresh和cwnd之后，會重新開始慢啟動；
    - 這種方式下來的擁塞發生太激進了，容易造成網絡卡頓
  - 快速重傳的擁塞發生：
    - 設置cwnd為cwnd/2，再設置ssthresh為cwnd
    - 設置完之后，會進入快速回復算法
- 快速回復：
  - 當發生快速重傳的時候，表示網絡不是太糟糕，一般快速回復和快速重傳同時使用
  - 進入快速回復前， cwnd和ssthresh都全部設置完了
  - 快速回復：
    - cwnd = ssthresh+3，3表示接收到了三個數據包
    - 重傳丟失的數據包;
    - 如果再收到重復的ACK，cwnd就+1
    - 如果收到的是新的ACK，表示網絡沒問題了，則將cwnd設置為ssthresh，進入擁塞避免狀態；
擁塞控制算法過程：
- 從TCP三次握手建立連接開始，發送端開始慢啟動，沒收到一個包的ACK，擁塞窗口就會+1，如果達到閾值，就會進入擁塞避免算法，每收到一個包的ACK，擁塞窗口就會增加窗口的倒數，從而保證擁塞窗口的線性增加
- 當遇到丟包的情況，就判斷為網絡擁塞，從而重復重傳機制，進入擁塞發送算法，根據重傳機制的不同，擁塞發送算法也會不同
- 超時重傳，sthresh=cwnd/2,并且cwnd=初始值，重新重慢啟動開始
- 快速重傳，cwnd=cwnd/2，ssthresh=cwnd，開啟快速回復
- 快速回復：先是設置cwnd=ssthresh+3，并重傳丟失數據包，如果依舊重復收到相同的ACK，就會重復觸發快速重傳和快速回復，如果收到的是新的數據包，則進入擁塞避免狀態。