6. 流量控制机制

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被放满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包的问题，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。而如果发送端发的太慢，却又会使得传输数据的效率较低。因此 TCP 可以根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制。

• 接收端将接收缓冲区的剩余大小放入 TCP 首部中的 " 窗口大小 " 字段，之后，通过 ACK 通知发送端。
• 窗口的字段越大，说明网络的吞吐量越高；窗口字段越小，传输数据的效率越低。
• 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端，此时，发送端接收到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度。
• 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

我们可以将流量控制这一机制想象成生产者消费者模型，一边往缓冲区里放数据，另一边从缓冲区里取数据。放数据可以想象成往水池中注水，取数据可以想象成水池出水。如果注水的速率大于出水的速率，水池最终会变满，那么水就会溢出，对于数据来说，就会发生丢包这样的情况；如果注水的速率小于出水的速率，那么取水的时候，效率就会变慢。而我们只能通过将注水和出水的速率控制到一个相对接近的数值，才能够保持一个均衡态。

流量控制机制是如何实现的

在上图中，我们可以看到窗口的大小为 4000，那么接收缓冲区的大小就为 4000. 当1 - 1000 的数据传入缓冲区的时候，缓冲区还剩余 3000，那么在返回的 ack 中，主机B 会把缓冲区剩余容量告诉 主机A. 接着，主机A 再次传输数据的时候，就按照窗口大小为 3000 的数据来发送，以此类推…

如果缓冲区满了，即剩余容量为 0，此时，按上面的理解，主机A 应该停止给 主机B 发送数据了。但实际上 主机A 从最开始，就会定期发送一个窗口探测包，以此来看看当前的窗口大小。当接收缓冲区数据满了，窗口探测包在某个时间段就能够探测到窗口为 0，那么，主机B 就通过在返回的 ack 告诉 主机A，这样一来，窗口大小又可以更新了，所以缓冲区也会进行更新，不再是满状态了；那么发送方又可以正常发送数据了。

举个例子：小明是一个送货员，他每天早上开车负责送冰淇淋给超市。

第一天，超市老板告诉送货员，说：冰箱总共能装下 100 只冰淇淋，但现在只有 50 只，我从你的车里面取 50 只冰淇淋就可以了。

第二天，老板发现冰箱剩余 10只 冰淇淋了，就往小明的车里取 90 只冰淇淋。

第三天，老板有事，超市关门一天。

第四天，小明来到超市的时候，老板说：冰箱里已经放不下冰淇淋了，就不从小明车里拿了。

第五天，第六天，第七天…

之后的每一天，小明送货之前，都要先打个电话问问老板，冰箱需要多少冰淇淋，根据需求来送，冰箱冰淇淋较多，就送少一点；冰箱冰淇淋较少，就送多一些；但是，即使冰箱满了，小明依旧每一天需要打电话问问，这就相当于窗口探测包，探测某一时间段的情况，再决定后面怎么发送数据。

7. 延迟应答机制

首先，我们必须明确：延迟应答机制中表示的是：延迟接收方 ACK 的应答。

在前面我们提到流量控制机制的时候，窗口大小实际上就是接收缓冲区的剩余空间大小，而窗口大小又作为下一次发送方即将发送的数据量。而站在接收方的角度来看，接收方从缓冲区中取数据。那么随着时间推移，只要缓冲区中有数据，那么接收方就会不断地从缓冲区中取数据。

那么延迟应答机制，顾名思义，当发送方传输数据给接收方后，如果接收方立刻返回 ACK 应答，此时下一次发送方的窗口大小，即为当前缓冲区剩余的空间。但如果延迟一会，接收方再 返回 ACK 应答，情况就不同了，在刚刚延迟的时间中，接收方能够消耗掉一部分数据，此时的缓冲区的剩余空间就更大了。那么下一次对于发送方的窗口大小，就能够提高一些，以此来提高效率。

理解延迟应答机制

这就和之前的注水和出水的逻辑是一样的，发送方往水池中注水，接收方从缓冲区中取水。那么只要水池中有水，那么它就会源源不断地出水。例子如下：

接收方正常取水 共 1L，那么发送方第二次注水 1L

接收方延迟取水 共 4L，那么发送方第二次注水 4L

以此看来，将接收方的 ack 应答延迟一会返回给发送方，这样会带来效率的提升，当然，这个延迟时间也需要控制在较少时间内，否则就会造成数据在传输过程中出现问题。所以说，虽然这个机制能够提高效率，但也得基于 TCP 可靠性的前提下，才能这么做。

8. 捎带应答机制

在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是 " 一发一收 " 的。所以，捎带应答机制就实现了将两个应答合并在一起，返回给客户端。但我们必须明确：捎带应答机制本身就是一个 " 概率性的机制 "，并不会每次都能触发，而我们只需要理解其内在思想即可，下图阐明了这个 " 捎带 " 逻辑。

同样地，在我们之前说到四次挥手，使得客户端与服务器断开连接的时候，四次挥手就有可能会变成三次挥手。当然，我也说明过，这是一个概率触发事件，因为这和 ACK 应答，和你正在使用应用程序响应的时间都有关系。

9. TCP 的粘包问题

首先我们需要明确，粘包问题中的 " 包 " ，是指的应用层的数据包。在 TCP 协议中，没有如同 UDP 一样的 " 报文长度 " 这样的字段，但 TCP 有一个序号这样的字段。

站在传输层的角度，TCP 是一个一个报文传输过来的。按照序号排好序放在接收缓冲区中。站在应用层的角度，它看到的只是一串连续的字节数据。那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道某个数据包的具体的开始位置和结束位置了。那么，这些应用层的数据包就会粘在一起，所以我们形象地把这个问题叫做粘包。而 TCP 是面向字节流的，所以说，这并不是 TCP 独有的缺点，而是面向字节流所带来的缺点。

(1) 如何解决粘包问题

设计一个应用层协议来明确包的边界，这实际上就是一个约定，告诉发送方采取事先设计好的规则，与此同时，也告诉接收方按照此规则读取数据即可。

方法一：为应用层数据设定 " 分隔符或结束符 "

方法二：为应用层数据设定 " 数据长度 "

(2) 区别于 UDP

10. TCP 的异常情况

(1) 进程终止：不管进程是通过什么方式终止的，本质上都会释放内核中的 PCB，也会释放对应的文件描述符，这样一来，就会触发四次挥手。我们必须明确：进程终止不代表连接立即就终止，因为它还未通过四次挥手这一过程。而进程终止其实就相当于调用了 socket.close( )，它只是相当于关闭了文件而已。

(2) 机器重启：机器重启就是主动关闭了进程，所以异常和进程终止的情况相同。

(3) 机器掉电 / 网线断开：这是一个突发情况，机器来不及进行任何动作反应。

我们再分为两种情况讨论机器掉电的情况：

情况一：掉电的是接收方

接收方一旦掉电，此时发送方还在发送数据，显然发送方不会再有接收方返回的 ACK，于是发送方就会超时重传，重传几次之后，就会通过复位报文段 RST 来尝试重置连接。而显然接收方已经断开连接了，那么最终，发送方也就会放弃这个连接，把连接资源回收。

情况二：掉电的是发送方

此时接收方正在尝试接收数据，显然它接收不到任何数据，那么接收方如何知道，发送方是断开连接了？还是暂时还没发呢？

此时接收方采取的策略，就是 " 心跳包 " 机制，也叫做 " 保活 " 机制。即接收方每隔一段时间，向对方发送一个 PING 包，期待对方返回一个 PONG 包。如果接收方 PING包 发过去了很长时间，发送方还没有返回 PONG，并且重试几次也解决不了问题，此时就认为发送方已经断开连接了。而 " 心跳包 " 机制，这是一个应用非常广泛的机制，不仅仅是在 TCP.

五、TCP 机制总结

• 确认应答 [ 可靠性 ]
• 超时重传 [ 可靠性 ]
• 连接管理 [ 可靠性 ]
• 滑动窗口 [ 效率 ]
• 流量控制 [ 可靠性 ]
• 拥塞控制 [ 可靠性 ]
• 延时应答 [ 效率 ]
• 捎带应答 [ 效率 ]
• 面向字节流 ( 粘包问题 ) [ 其他 ]
• 异常情况 ( 心跳机制 ) [ 其他 ]

六、一些面试题

1. 如何基于 UDP 协议实现可靠传输

题目虽然在问你 UDP，但实际上在问你 TCP，你只需要把 TCP 的思想往 UDP 上靠即可。也就是问你怎么通过自己的代码将 UDP 在应用层中附加上一些 TCP 的机制？当然，并不是让你真的将代码写出来，只需要阐明思路即可。

• 实现确认应答机制，接收方把每个数据接收到之后，都要为发送方反馈一个 ACK ( 这不是内核返回的了，而是应用程序自己定义一个 ACK 包，发送回去 )
• 实现发送序号以及确认序号，以及实现去重
• 实现超时重传
• 实现连接管理
• 要想提高效率，实现滑动窗口
• 为了限制滑动窗口，实现流量控制和拥塞控制
• 实现延时应答、捎带应答、心跳机制…

2. 什么样的场景中适合使用 TCP 和 UDP

① 如果需要可靠性，首选 TCP

② 如果传输的单个数据报较长 ( 超过64K )，使用TCP

③ 如果特别注重效率，优先考虑 UDP

UDP 的典型适用场景：机房内部的主机之间通信，具有网络环境简单、带宽充裕、数据丢包概率较低的特点。此外，机房内部主机之间的通信，往往传输数据量更大，需要更快的速度。

④ 如果需要广播，优先考虑 UDP，因为此时的场景需要将一份数据同时发给多个主机，而UDP 自身就支持广播的，但 TCP 自身不支持，就只能在应用层程序中设计实现。

3. 注意

传输层协议，并不仅仅是 TCP 和 UDP 两种，只是这两种协议十分广泛。而除了 TCP 和 UDP之外，还有很多其他的传输层协议，可以尽可能的兼顾到可靠性和效率。然而，既能够兼顾可靠性，又能够兼顾高效率，付出的代价可能就是更多的机器资源。而有些传输协议在特定的场景下，大佬可以自己来实现。