TCP 可靠传输

用滑动窗口动画理解 TCP 可靠性:批量发送、累计确认、报文丢失与重复 ACK、快速重传,以及超时重传与拥塞控制的关系。

高级约 22 分钟交互实验TCP滑动窗口累计确认快速重传拥塞控制

跟随步骤学习:播放动画、单步执行、点击左侧步骤随时跳转。

开始学习

点击播放或 下一步 开始。每一步动画都对应一条原理解释, 右侧面板展示来自模拟器的实时数据;学完动画后,页面底部有完整图文正文。

本教程目标: 理解滑动窗口:批量发送不必逐个等待,窗口随 ACK 滑动;掌握累计确认的语义:ACK n =「n 之前的全部收到,期望下一个是 n」;理解报文丢失的两种检测:重复 ACK 触发快速重传、超时触发 RTO 重传;知道拥塞控制的四个阶段(慢启动/拥塞避免/快恢复/快重传)如何调节窗口。

图文正文ARTICLE

即使不播放动画,也可以通过以下内容理解本教程的知识点。

滑动窗口:停等问题到流水线

如果每发一个报文就停下来等 ACK,吞吐量会低得不可用(一个 RTT 才发一个)。TCP 的解法是滑动窗口:

发送方维持一个窗口(比如 4 个报文),窗口内的报文可以一口气全部发出,不必等确认;
每收到一个 ACK,窗口左缘向右滑动一格,窗口内空出的位置允许发送新报文;
窗口左缘(sendBase)= 已确认的最大连续序号 + 1;窗口右缘 = sendBase + 窗口大小。

窗口大小同时受两个因素约束:接收方通告的接收窗口(rwnd) 和 发送方的拥塞窗口(cwnd) —— 取小者。本教程聚焦可靠传输机制,窗口当作固定值 4。

累计确认的语义

TCP 的 ACK 是累计确认:「ACK n」的含义不是「确认第 n 个报文」,而是:

「序号 n 之前的所有字节都已收到,我期望的下一个字节是 n」

这个语义带来一个重要现象:如果报文 3 丢了,但 4、5、6 都到了(接收方会缓存乱序报文),接收方每次收到新报文都会重复发送 ACK 3 —— 「我还是缺 3」。发送方连续收到 3 个重复 ACK,就能在超时之前判断「3 大概率丢了」,立即重传 —— 这就是快速重传。

两条重传路径:快速重传与超时

报文丢失的两种检测与应对:

快速重传(Fast Retransmit):收到 3 个重复 ACK → 立即重传丢失报文,不等超时。反应快(一个 RTT 内),配合快速恢复窗口只减半不归零。

超时重传(RTO):定时器到期仍没等到确认 → 重传。RTO 基于 RTT 动态估计(通常 1s 起,指数退避)。超时更「重」:说明网络严重拥塞,重传后窗口大幅收缩。

此外接收方对乱序到达的报文(如 3 丢失后先到的 4、5)会缓存,配合 SACK(选择性确认) 告诉发送方「我已有哪些」—— 重传可以更精准,不用像老式 GBN(回退 N)那样把后面全部重发。本站动画以 Go-Back-N 式教学模型呈现核心机制,SACK 细节做了简化。

窗口为什么变化:拥塞控制一句话

可靠传输回答「丢了怎么办」,拥塞控制回答「发多快合适」。经典 TCP(Reno)把 cwnd 的调节画成四个阶段:

慢启动:连接初期 cwnd 从小值指数增长(每个 RTT 翻倍);
拥塞避免:cwnd 达到阈值后线性 +1(谨慎试探);
快重传/快恢复:3 个重复 ACK → 重传 + cwnd 减半继续(轻度拥塞);
超时 → cwnd 归 1 重新慢启动(重度拥塞)。

把「可靠传输」(本教程)与「拥塞控制」叠在一起,就是完整的 TCP 发送端行为:窗口尺寸由接收方与网络共同决定,丢了就退,稳了就进。