面試突擊69：TCP 可靠嗎？為什麼？
相比於 UDP 來說，TCP 的主要特性是三個：有連接、可靠、面向數據流。所謂的「有連接」指的是 TCP 中的連接管理機制，也就是著名的三次握手和四次揮手，就像打電話一樣，想要正常的交流，必須先和對方建立起連接，這就是所謂的「有連接」，而面向數據流的機制咱們以後再講，我們今天要討論的主題是：TCP 是如何保證可靠性的？
TCP 之所以能保證可靠性，主要是通過以下 6 個手段：
- 校驗和
- 確認應答
- 超時重傳
- 流量控制
- 擁塞控制
- 丟棄重複數據
接下來，我們詳細來看這幾種手段的具體實現。
1.校驗和
TCP 協議的數據格式如下圖所示：
(圖片來源：許許如生xxrs)
從上圖可以看出「校驗和」是保存在 TCP 首部中的一個數據，TCP 的發送端和接收端會採用相同的演算法，根據發送的數據計算出一個 16 位的校驗和，並且校驗和會連同數據一起發送給接收端。
接收端在得到數據之後，會根據接收的數據生成一個新的校驗和，然後用新的校驗和與傳遞過來的校驗和做對比，如果校驗和相同，那麼說明數據在傳遞過程中沒有發生任何改變，是一個有效的數據，反之則為無效數據，捨棄即可。
校驗和基本演算法
TCP/UDP/IP 等協議的校驗和演算法都是相同的，採用的都是將數據流視為 16 位整數流進行重複疊加計算。為了計算檢驗和，首先把檢驗和欄位置為 0，然後，對有效數據範圍內中每個 16 位進行二進位反碼求和，結果存在檢驗和欄位中，如果數據長度為奇數則補一位元組 0。當收到數據後，同樣對有效數據範圍中每個 16 位數進行二進位反碼的求和。由於接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯，那麼接收方計算的結果應該為全 0 或全 1(具體看實現了,本質一樣) 。如果結果不是全 0 或全 1，那麼表示數據錯誤。
2.確認應答
確認應答機制是保證消息傳遞可靠性的關鍵手段，也是幾乎所有消息中間件（MQ）中，最常用的技術之一，比如主流的消息中間件 RabbitMQ、Kafka、RocketMQ 中都有確認應答機制，也就是我們常說的 ACK（ACKnowledge Character，確認字元）。
確認應答機制是 TCP 中，保證消息可靠性的核心機制。怎麼才能確認你發的消息對方一定收到了呢？最有效的手段無疑是對方告訴你，它已經收到了，這就是確認應答。
確認應答的流程如下圖所示：
3.超時重傳
消息在確認應答的過程中可能會出現兩個問題：第一，消息在發送的時候丟失了，第二，消息在確認應答時丟失了，如下圖所示：
顯然，即使有了確認應答機制也保證不了消息不丟失，那怎麼辦呢？
消息丟了沒關係，發送端在確認了消息丟失之後，再補償一個同樣的消息給接收端不就解決了？這就是超時重傳機制。
巧妙的超時重傳機制
TCP 的超時重傳機制在設計上也非常巧妙，它為了保證消息在任何環境中，都能高效的通訊，所以 TCP 採用的是「動態時間」的超時重傳機制。
比如第一次如果消息丟了，那麼發送端會在 500ms 之後再發送一個消息，如果發送的第二個消息也丟了，那麼發送端會在 1000ms 之後再發送一個消息，如果第三個消息也丟了，那麼它會在 2000ms 之後再發送一個消息，如果累計了一定的次數，消息還沒有成功的發送，那麼 TCP 會認為對方主機存在異常，會強制關閉連接，這就是 TCP 超時重傳的主要執行流程。
4.流量控制
接收端處理數據的速度是有限的，如果發送端發的太快，那麼就會導致接收端的緩衝區被打滿，這個時候如果發送端繼續發送，就會造成丟包，繼而引起丟包重傳等等一系列連鎖反應。
因此 TCP 會根據接收端的處理情況，動態調整發送數據的大小，這個機制就叫流量控制（Flow Control）。
5.擁塞控制
擁塞控制指的是 TCP 會根據當前網路的情況，動態的控制發送數據的多少，以適合的速度來傳遞數據。
想像一下，如果 TCP 在不清楚網路情況的環境下，貿然的發送大量的數據給接收端，這樣就會導致更多的丟包及超時重傳，從而引起一系列的連鎖反應，導致數據傳遞變慢。
而 TCP 採取的是「慢啟動」機制，先發少量的數據，探探路，摸清當前的網路擁堵狀態，再決定按照多大的速度傳輸數據，這就是擁塞控制機制。
如果傳遞的數據多了，出現了大量的丟包，那麼 TCP 會將發送的數據量調小，然後再嘗試慢慢的增加發送的數據量，通過這種動態發送數據包的形式，來實現適合當前網速的數據傳遞，這就是 TCP 擁塞控制的具體實現。
6.丟棄重複數據
通過前面的知識我們知道，在確認應答時，由於確認應答消息的丟失，那麼接收方可能會收到發送方的重複數據，如下圖所示：
而此時對於業務方來說，只需要一個數據就可以了，所以 TCP 還有一個機制，丟棄重複數據的機制，這樣就能保證業務方接收到的數據是正確的了。
TCP 會給每一個發送的包上加上一個編號，如果接收到了編號相同的數據包，那麼就說明接收端得到了重複的包，丟棄即可。
總結
TCP 保證可靠性的主要手段有 6 個：校驗和、確認應答、超時重傳、流量控制、擁塞控制、丟棄重複數據。其中流量控制和擁塞控制很容易搞混，我們要清楚的知道，流量控制是針對接收端接收能力的控制機制，而擁塞控制是針對當前網路的控制機制，所以千萬不要搞混了。
參考 & 鳴謝
blog.csdn.net/namelcx/article/details/6866720
是非審之於己，毀譽聽之於人，得失安之於數。
公眾號：Java面試真題解析
