传输层-4、TCP协议
参考哈工大公开课。
TCP概述：
TCP是一种点对点的协议，就是只有一个发送方，一个接收方，且同一连接中能够传输双向数据流。它的数据传输是可靠的、按序的字节流，采用了流水机制通过设置窗口并且实现了TCP拥塞控制和流量控制，由于采用了流水机制，所以接收方和发送方都有缓存空间。
TCP是面向连接的协议，它有三个特点：
1、 通信双方在发送数据之前必须建立连接。
2、 连接状态只在连接的两端中维护，在沿途的节点中并不维护状态。
3、 TCP连接包括：两台主机上的缓存，连接状态变量，socket等。
TCP段结构和传输过程：
图一：TCP段结构
Sequencenumber（***）：
***指的是Segment中第一个字节的编号，而不是segment的编号；建立TCP连接时，双方随机选择***。
Acknowledgemetnumber（ACK***）：
希望接收到下一个字节的***，并采用累计确认方式，就是在该ACK***之前所有字节均已被正确接收到。如果接收方接收到了乱序的Segment，TCP协议中没有规定，由TCP的实现者做出的决策。
图二：TCP传输过程
1、 Host A 发送TCP段给Host B，Seq=42、ACK=79、data=’C’；这个Segment中第一个字节的编号是42，希望接收到的数据报是79，数据为C。
2、 Host B 回复TCP段给Host A，Seq=79、ACK=43、data=’C’；这个Segment中第一个字节的编号是79，希望接收到的数据报是43，数据为C。
TCP可靠数据传输概述
TCP在IP层提供的不可靠服务基础上实现可靠数据传输服务，采用了流水机制和累计确认，并使用单一重传定时器。触发重传的事件有两种：1、超时；2、收到重复的ACK。
TCP发送方事件：
首先，运输层从应用层收到数据，收到数据后创建Segment，设置Segment的第一个字节的编号为***，并开启计时器，设置超时时间。当超时没有收到正确的ACK，发送方会重传引起超时的Segment并重启定时器。当收到ACK之后，如果确认此ACK是此前没有确认的Segment，就更新Segment之前的数据为已经发送成功，并更新SendBase（窗口）。如果SendBase中还有没有确认的分组，就重启定时器。
TCP三种异常事件：
A、 接收方发给发送方的ACK丢失了，由于发送方没有接受到ACK，那么等待超时之后就会重新发送。
B、 Timeout设置短了，在接收到ACK之前等待就超时了，发送方在接收到ACK之前已经开始重新发送了，导致了资源的浪费。
C、 C情况是发送方发送了两个数据报，接收方正确接收到了数据报并发送了返回发ACK，但是ACK（100）小的就丢失了，而ACK(120)大的被发送方正确接收了，由于TCP采用的累计传输，即使ACK=100没有被接收，发送方依然会认为接收方已经接收到了***为100的Segment已经正确接受了。所以就会移动窗口，更新SendBase=120。
图三：三种典型的重传事件
快速重传机制：
核心思想：根据接收打到ACK重复的次数，在定时器超时之前就开始重传。
TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔会重新设置，并且超时时间间隔会加倍，导致其超时间隔会越来越大，这样就会让重发丢失的分组之前要等待很长时间。
重复ACK检测分组丢失：因为重复接收到了相同的ACK，所以发送方会认为接收方接收到重复的数据，那么发送方就会接着发送ACK后面的Segment。
TCP流量控制：
TCP流量控制的核心思想，在图一TCP段中的ReceiveWindow中记录了接收方剩余缓存大小，如果缓存太小，发送方就放慢发送的速度；如果缓存为0，发送方还是会发送数据报，只是速度会更慢，这里发送方不能停止发送，因为接收方的随着时间的进行，缓存里面的数据会交给应用层，缓存会空下来，如果发送方停止发送Segment，那么发送方就不可能知道接收方的缓存已经有空余了，这样就不能重新发送剩下的数据报了。
TCP连接管理：
TCP在建立连接之前会初始化TCP变量，包括Sequencenumber（***）、缓冲区、流量控制信息等。
TCP连接需要三次握手：
第一步：client发送不携带数据TCP报文段给Service，将SYN置为1，表示要建立连接；同时还要发送初始***(Sequence number)。
第二步：service接收到SYN之后，如果同意连接，就会在自己那里设置一个缓冲区；同时向client发送一个SYNACK，其中包含service的一个初始***(Sequence number)。
第三步：client接收到了SYNACK，就会回复一个确认的Segment，告诉service确认连接。
图四：TCP连接需要三次握手
TCP关闭过程：
TCP关闭连接可以分四个步骤：
第一步：client向service发送TCP 结束（FIN）控制Segment，告诉service要关闭TCP连接；
第二步：service收到FIN，回复ACK，告诉client已经接收到了关闭连接请求；然后关闭连接，并发送FIN，告诉client已经完成TCP关闭。
第三步：client收到FIN后，回复ACK就进入等待，如果又收到FIN，就重新发送ACK。
第四步：service收到ACK，就关闭连接。
图五：TCP关闭过程