TCP/IP协议

TCP协议

TCP协议段格式:
TCP全称为“传输控制协议(Transmission Control Protocol) ”,就是对数据的传输进行一个详细的控制。
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  • 源/目的端口号:表示数据是从哪个进程来,到哪个进程去;
  • 4位TCP报头长度:表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节);所以TCP头部最大长度是15*4=60;
  • 6位标志位:
    URG:紧急指针是否有效;
    ACK:确认号是否有效;
    PSH:提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走;
    RST:对方要求重新建立连接;把携带RST标识的称为复位报文段;
    SYN:请求建立连接;把携带SYN标识的称为同步报文段;
    FIN:通知对方,本端要关闭了;把携带FIN标识的称为结束报文段。
  • 16位校验和:发送端填充,CRC教研,接收端教研不通过,则认为数据有问题。此处的校验和不光包含TACP首部,也包含TCP数据部分;
  • 16位紧急指针:标识哪部分数据是紧急数据。

连接管理机制:
在正常情况下,TCP要经过三次握手建立连接,四次挥手断开连接。
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服务端状态转化:

  • [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接;
  • [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求(同步报⽂文段), 就将该连接放入内核等待队列中, 并向 客户端发送SYN确认报;
  • [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态, 可以进行读写数据了;
  • [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT]当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文段, 服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT;
  • [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据);当服务器真正调用close关闭连接时,会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN);
  • [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接。

客户端状态转化:

  • [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调⽤用connect, 发送同步报⽂文段;
  • [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调⽤用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
  • [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入 FIN_WAIT_1;
  • [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开始 等待服务器的结束报文段;
  • [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出 LAST_ACK;
  • [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间, 才会进入CLOSED状态。

确认应答(ACK)机制:

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TCP将每个字节的数据都进行了编号:
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每一个ACK都带有对应的确认序列号,意思是告诉发送者,已经收到了哪些数据,下一次从哪里开始发。

超时重传机制:
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  • 主机A发送数据给B之后, 可能因为⽹网络拥堵等原因, 数据无法到达主机B;
  • 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发;
    但是, 主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了:
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因此主机B会收到很多重复数据. 那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包, 并且把重复的丢弃掉. 这时候我们可以利用前面提到的序列号, 就可以很容易做到去重的效果。
那么,超时的时间如何确定呢?

  • 最理想的情况下, 找到一个最小的时间, 保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”;
  • 但是这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的;
  • 如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率;
  • 如果超时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包。

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信, 因此会动态计算这个最大超时时间。

  • Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的 超时时间都是500ms的整数倍;
  • 如果重发一次之后, 仍然得不到应答, 等待 2*500ms 后再进行重传;
  • 如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传。依次类推, 以指数形式递增;
  • 累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接。

滑动窗口:
刚才我们讨论了确认应答策略, 对一个发送的数据段, 都要给⼀一个ACK确认应答,收到ACK后再发送下一个 数据段. 这样做有一个比较大的缺点,就是性能较差. 尤其是数据往返的时间较长的时候。
既然这样一发一收的⽅方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以⼤大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)。
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  • 窗口大小指的是无需等待确认应答⽽而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000个字节 (四个段);
  • 发送前四个段的时候, 不需要等待任何ACK, 直接发送;
  • 收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
  • 操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只 有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉;
  • 窗口越大, 则网络的吞吐率就越高。

流量控制:

 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打满,这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包,继而引起丢包重传等等一系列连锁反应;
 因此TCP支持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(Flow Control);

  • 接收端将自己可以接收的缓冲区大⼩放入 TCP ⾸首部中的 “窗口大小” 字段, 通过ACK端通知发送端;
  • 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;
  • 发送端接受到这个窗口之后, 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。
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接收端如何把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信 息; 那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么? 实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因⼦子M, 实际窗口⼤大小是 窗口字段的值左移 M 位。

拥塞控制:

 虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发⼤大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题. 因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经⽐比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据, 是很有可能会雪上加霜的。
 TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据。
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  • 此处引入一个概念程为拥塞窗口;
  • 发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1;
  • 每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口加1;
  • 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口。

像上面这样的拥塞窗口增长速度, 是指数级别的”慢启动” 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快。
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  • 为了不增长的那么快, 因此不能使拥塞窗⼝单纯的加倍;
  • 此处引入一个叫做慢启动的阈值;
  • 当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性⽅方式增长;
  • 当TCP开始启动的时候, 慢启动阈值等于窗口最大值;
  • 在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来的⼀一半, 同时拥塞窗口置回1。

少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞; 当TCP通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降; 拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。

延迟应答:
如果接收数据的主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小。

  • 假设接收端缓冲区为1M, 一次收到了500K的数据; 如果⽴立刻应答, 返回的窗口就是500K;
  • 但实际上可能处理端处理的速度很快;10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
  • 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来;
  • 如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M。

一定要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提⾼传输效率。
那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是:

  • 数量限制: 每隔N个包就应答一次;
  • 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;

具体的数量和超时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时间取200ms。

捎带应答:
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,意味着客户端给服务器说了 “How are you”, 服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”; 那么这个时候ACK就可以搭顺风车, 和服务器回应的 “Fine, thank you” 一起回给客户端。
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面向字节流:
创建一个TCP的socket, 同时在内核中创建一个发送缓冲区 和一个接收缓冲区;

  • 调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中; 如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
  • 如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 等到缓冲区长度差不多了, 或者其他合适的时机发送出去;
  • 接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;
  • 另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做全双工。

由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要⼀匹配, 例如:

  • 写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写⼀一个字节;
  • 读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以 一次read一个字节, 重复100次。

粘包问题:
我们大家都吃过包子吧,当我们刚从锅里拿出热气腾腾的包子,有时候发现好几个包子会粘在一起,如果不注意就会使一个包子多一点儿,一个包子缺一点儿,这就是所谓的粘包问题。

  • 首先要明确, 粘包问题中的 “包” 是指的应用层的数据包;
  • 在TCP的协议头中, 没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段, 但是有一个序号这样的字段;
  • 站在传输层的⾓角度, TCP是一个一个报文过来的. 按照序号排好序放在缓冲区中, 站在应用层的⾓角度, 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, 就不知道从哪个部分开始到哪个部分, 是一个完整的应用层数据包。

那么如何避免粘包问题呢? 归根结底就是一句话, 明确两个包之间的边界:

  • 对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 例如上⾯面的Request结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
  • 对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;
  • 对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序猿自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可)。

对于UDP协议来说, 是否也存在 “粘包问题” 呢?

  • 对于UDP, 如果还没有上层交付数据, UDP的报文长度仍然在。同时, UDP是一个一个把数据交付给应用层,就有很明确的数据边界;
  • 站在应用层的角度, 使用UDP的时候, 要么收到完整的UDP报文, 要么不收.。不会出现”半个”的情况。

TCP异常情况:

进程终止:进程终止会释放文件描述符, 仍然可以发送FIN, 和正常关闭没有什么区别;
机器重启: 和进程终⽌止的情况相同;
机器掉电/网线断开: 接收端认为连接还在, 一旦接收端有写入操作, 接收端发现连接已经不在了, 就会进行 reset. 即使没有写入操作, TCP自己也内置了一个保活定时器, 会定期询问对方是否还在. 如果对方不在, 也会把连接释放;
另外, 应用层的某些协议, 也有一些这样的检测机制。例如HTTP长连接中, 也会定期检测对方的状态。例如QQ, 在QQ断线之后, 也会定期尝试重新连接。

TCP小结:

可靠性:

  • 校验和 ;
  • 序列号(按序到达);
  • 确认应答;
  • 超时重发;
  • 连接管理;
  • 流量控制;
  • 拥塞控制 。

提高性能:

  • 滑动窗口;
  • 快速重传;
  • 延迟应答;
  • 捎带应答。

其他:定时器(超时重传定时器, 保活定时器, TIME_WAIT定时器等)。

基于TCP应用层协议:

  • HTTP
  • HTTPS
  • SSH
  • Telnet
  • FTP
  • SMTP

TCP/UDP对比:

  • TCP用于可靠传输的情况, 应用于文件传输, 重要状态更新等场景;
  • UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域。 例如早期的QQ, 视频传输等。 另外UDP可以用于广播。

归根结底, TCP和UDP都是程序员的工具, 什么时机用, 具体怎么用, 还是要根据具体的需求场景去判定。

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