TCP 可靠传输机制 · 完全图解

序列号、确认应答、超时重传、快速重传、SACK、滑动窗口一次讲透

序列号 / ACK RTO / RTT 快速重传 / SACK 滑动窗口 / 流量控制

①TCP 靠什么保证可靠

网络层 IP 是不可靠的：会丢包、会乱序、会重复、会出错。TCP 在它之上用一套组合拳，把不可靠的信道变成了可靠、有序、不丢、不重的字节流。

① 序列号 + 确认应答

每个字节编号，接收方用 ACK 告诉发送方“我收到哪了”，没被确认的就重发。

② 超时重传

发出后启动计时器，超时未收到 ACK 就重传；RTO 根据 RTT 动态计算。

③ 快速重传

不等超时，收到 3 个重复 ACK 就立刻重传丢失报文。

④ 校验和

检测报文在传输中是否损坏，损坏则丢弃（等同于丢包，触发重传）。

⑤ 排序与去重

接收端按序列号重排乱序到达的报文，并丢弃重复报文。

⑥ 流量控制

用滑动窗口匹配收发双方速度，防止接收方被冲垮。

⑦ 拥塞控制

感知网络状况，防止把网络挤爆（详见拥塞控制专篇）。

注意区分：流量控制保护的是接收方（怕它处理不过来），拥塞控制保护的是网络（怕链路堵死）。两者都通过限制发送窗口实现，但出发点完全不同。

②序列号与确认号：可靠性的地基

序列号（Sequence Number）

TCP 给每一个字节编号，报文头的 seq 是本报文第一个字节的编号。比如发送 1000 字节、起始 seq=1，则下一个报文 seq=1001。

连接建立时的初始序列号（ISN）是随机的，不是从 0 开始——这是为了防止旧连接的迷途报文被误认为新连接的数据，也是安全考虑（防止序列号预测攻击）。

确认号（Acknowledgment Number）

确认号的含义，一句话背下来：ack = N 表示“N 之前的所有字节我都收到了，我接下来期待第 N 个字节”。
注意：它表示的是期望收到的下一个字节序号，而不是“我收到的最后一个字节”。这个细节面试经常考。
确认号 ack 的语义：期待下一个字节 发送方 接收方 seq=1, 携带 1000 字节（1~1000） ack=1001（1~1000 都收到了，请发第 1001 字节） ack = 已收到的连续最大字节序号 + 1

累积确认（Cumulative ACK）：TCP 的 ack 是累积的——ack=1001 意味着 1001 之前全部都收到了。这也带来一个问题：如果中间某个报文丢了（比如 501~1000 丢了，但 1001~1500 收到了），接收方只能反复回 ack=501，无法告诉发送方“后面的我其实收到了”——这正是 SACK 要解决的问题。

③超时重传：RTO 是怎么算出来的

发送方每发一个报文就启动一个重传计时器，超时（RTO, Retransmission Timeout）还没收到 ACK 就重传。

难点：RTO 设多少合适？设太小 → 报文其实还在路上就误判丢包，造成无谓重传、加剧拥塞；设太大 → 真丢包时要等很久，延迟飙升。所以 RTO 必须自适应地跟随网络 RTT 变化。

RTT 与 RTO 的计算

  • RTT（Round-Trip Time）：从发送到收到对应 ACK 的往返时间。
  • SRTT（平滑 RTT）：SRTT = (1-α)·SRTT + α·RTT，α 通常取 1/8，做指数加权平均。
  • RTTVAR（RTT 偏差）：衡量 RTT 波动程度，波动越大 RTO 越保守。
  • RTO：RTO = SRTT + 4·RTTVAR（Jacobson/Karels 算法），并设定上下限。
Karn 算法：如果报文发生了重传，就不应该用这次的 ACK 来更新 RTT——因为你分不清这个 ACK 是回应原始报文还是重传报文。解决办法：重传时不更新 RTT，并且退避加倍（每重传一次 RTO ×2）。
超时重传：计时器到点仍未收到 ACK 发送方 接收方 seq=1, len=1000　→　启动计时器 RTO ✗ 报文丢失（未到达） 等待 … RTO 超时 重传 seq=1, len=1000（RTO 退避加倍） 超时重传的代价：至少要等一个 RTO 才反应，延迟明显

④快速重传：不等超时，3 个重复 ACK 就重发

超时重传要等一个完整 RTO，太慢了。快速重传（Fast Retransmit）的思路是：如果接收方连续收到 3 个相同的重复 ACK，说明对应的报文大概率丢了（后面的报文都到了，就它没到），发送方立刻重传，不用等计时器。

快速重传：3 个重复 ACK 触发立即重传 发送方 接收方 seq=1（到达） ack=1001 seq=1001 ✗ 丢失 seq=2001（乱序到达） ack=1001（重复 ACK 1） ack=1001（重复 ACK 2） ack=1001（重复 ACK 3 → 触发快速重传） 立即重传 seq=1001（不等 RTO） 为什么是 3 个？经验值：2 个可能是乱序，3 个基本可判定丢包

SACK：只重传真正丢的

快速重传仍有浪费：发送方只知道 1001 丢了，但不知道 2001 之后的报文到底有没有到，可能要把后面的一起重传。SACK（Selective Acknowledgment，选择性确认）让接收方在 ACK 里额外携带“我已收到的不连续区间”，发送方就能只重传真正丢失的那几段。

SACK 效果举例：丢了 seq=1001 这一段，但 2001~5000 都收到了。没有 SACK 时可能要重传 1001 及之后全部；有了 SACK，接收方能告知“我已有 2001~5000”，发送方只需重传 1001~2000。SACK 通过 TCP 头部选项字段协商启用。

⑤滑动窗口：为什么能一边发一边等

如果每发一个报文都要等 ACK 才能发下一个（“停止-等待”），吞吐量会惨不忍睹。滑动窗口允许发送方连续发送多个未被确认的报文，把等待时间重叠起来，大幅提升吞吐。
发送缓冲区与窗口的四段划分 已发送 且已确认 已发送 未收到确认 允许发送 尚未发送 不可发送 （超出窗口） 发送窗口（Send Window） 窗口左边界 窗口右边界 收到 ACK → 左边界右移（窗口“滑动”）→ 新的字节进入可发送范围
要点：发送窗口不是固定不动的。每收到一个 ACK，左边界就右移，窗口整体向前“滑动”，从而允许发送新的数据。被确认过的数据会从发送缓冲区释放。

⑥流量控制：别把接收方冲垮

接收方处理速度有限。如果发送方发得太快，接收方的缓冲区会被填满，后续报文只能丢弃 → 触发重传 → 更拥堵。所以 TCP 用接收窗口（rwnd, receive window）做流控。

核心机制：接收方在每个 ACK 里带上自己的剩余缓冲区大小 rwnd。发送方保证未被确认的数据量 ≤ rwnd。rwnd 由 TCP 头部的「窗口大小」字段承载。
接收方通过 ACK 回传 rwnd，动态调节发送速率 发送方 接收方 发送数据 ACK + rwnd=3000（我还能收 3000 字节） ACK + rwnd=0（缓冲区满了，先别发） rwnd=0 后发送方暂停，并周期性发「窗口探测」报文询问

零窗口与糊涂窗口综合症

零窗口（Zero Window）

rwnd=0 时发送方停止发送，并启动持续计时器周期性发窗口探测报文，防止“窗口更新报文丢失导致双方死锁”。

糊涂窗口综合症（SWS）

接收方每次只腾出几个字节就通告，发送方就发几个字节的小包，有效载荷极低。解决办法：接收方等腾出足够空间（MSS 或缓冲区一半）再通告；发送方攒够再发（Nagle）。

最终发送窗口 = min(拥塞窗口 cwnd, 接收窗口 rwnd)。发送方同时受网络拥塞和接收方能力两个约束，取更严格的一个。

⑦面试高频追问

Q1：TCP 如何保证可靠传输？
靠序列号 + 确认应答 + 重传（超时重传与快速重传）保证不丢；靠序列号排序保证有序、去重；靠校验和检测损坏；靠滑动窗口 + 流量控制匹配收发速度；靠拥塞控制避免压垮网络。
Q2：ack=N 到底是什么意思？
“N 之前的所有字节都已收到，期待下一个是第 N 字节”。即累积确认，表示期望收到的下一个序号，不是已收到的最后一个。
Q3：有了超时重传为什么还要快速重传？
超时重传要等一个完整 RTO，延迟太大。快速重传用「3 个重复 ACK」判断丢包，不必等计时器就立即重传，显著降低丢包时的延迟。
Q4：为什么是“3 个重复 ACK”而不是 2 个？
这是经验折中：1~2 个重复 ACK 很可能只是乱序（报文晚到一会儿），3 个重复 ACK 基本可以判定为丢包。取 3 能在误判率和响应速度之间取得平衡。
Q5：SACK 解决了什么问题？
解决“不知道后面哪些到了”的问题。累积 ACK 只能表达连续收到的部分，SACK 允许接收方告知已收到的不连续区间，发送方从而只重传真正丢失的段，避免无谓重传。
Q6：流量控制和拥塞控制的区别？
流量控制是端到端的，保护接收方不被冲垮，依据是接收方通告的 rwnd；拥塞控制是全局的，保护网络不被挤爆，依据是发送方自己探测到的 cwnd。最终发送窗口取二者最小值。
Q7：为什么需要滑动窗口，停等不行吗？
停等协议每个报文都要等一个 RTT 才能发下一个，信道利用率极低（尤其长肥管道）。滑动窗口允许连续发送多个未确认报文，把等待时间重叠，吞吐量成倍提升。
Q8：RTO 是固定值吗？怎么算？
不是，是自适应的。基于测量的 RTT 计算平滑值 SRTT 与偏差 RTTVAR，RTO = SRTT + 4·RTTVAR；发生重传时按 Karn 算法不更新 RTT 并指数退避。

✓一句话速记

可靠 = 编号（seq）+ 确认（ack 是期待下一字节）+ 重传（超时 RTO / 快速 3 个重复 ACK / SACK 选择性重传）；效率 = 滑动窗口连续发；安全 = 流量控制（rwnd，护接收方）+ 拥塞控制（cwnd，护网络），发送窗口取 min。