TCP协议浅析

本文将简单介绍tcp协议的基本内容，主要包括一下四部分：

• tcp概述
• TCP可靠数据传输
• TCP流量控制
• TCP连接管理
  让我们对tcp有一个简单的回顾总结

TCP概述

• tcp是一个点对点端到端的传输协议，有一个发送方和接收方。
• tcp传输的是可靠的按序到达的字节流
• tcp采用流水线机制，提高传输的效率。TCP通过拥塞控制和流量控制机制来控制滑动窗口的大小
• tcp协议分别设置了发送方缓存和接收方缓存

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• tcp采取全双工(full-duplex)传输，也就是传输过程中，同一连接可以传输双向的数据流，发送方可以传给接收方，接收方也可以传给发送方。
• tcp是面向连接的协议，通信双方在发送数据之前必须建立连接。连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态。TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等
• tcp实现了流量控制机制

TCP段结构

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TCP: 序列号和ACK

序列号:

• 序列号指的是segment中第一个字节的编号，而不是segment的编号
• 建立TCP连接时，双方随机选择序列号

ACKs:

• 希望接收到的下一个字节的序列号
• 累计确认：该序列号之前的所有字节均已被正确接收到

Q: 接收方如何处理乱序到达的Segment？

• A: TCP规范中没有规定，由TCP的实现者做出决策

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上图我们进行一个分析，以便搞清楚tcp序列号和ack的应用
首先，hostA作为发送方给B发送数据，随机选择一个序列号seq = 42，也就是这段segment中的第一个字节的编号，并且设置ack=79，这表示，希望接收方回传seg=79作为确认信号代表接收方已经正确接受了这段数据
然后HostB成功接收到数据，想发送方返回确认信息，根据发送方的ack，所以确认的seg=79，然后通过ack告知希望接收到的下一个字节的序列号，并同时表示之前的所有字节均已被正确接收，所以发送ack=43告知已经接收到43号之前的字节，并希望发送方传送43号字节

TCP可靠数据传输

具体的可靠传输原理在上一篇博文中http://www.jianshu.com/p/6a99944bb9fa
接下来我们看看tcp协议是如何实现可靠传输的。

• 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
• 流水线机制
• 累积确认
• TCP使用单一重传定时器
• 触发重传的事件：超时和收到重复ACK

RTT和超时

问题：如何设置定时器的超时时间？

• 大于RTT， 但是RTT是变化的
• 过短：不必要的重传
• 过长： 对段丢失时间反应

问题：如何估计RTT？
SampleRTT: 测量从段发出去到收到ACK的时间忽略重传
SampleRTT变化,测量多个SampleRTT，求平均值，形成RTT的估计值EstimatedRTT

EstimatedRTT = (1- )EstimatedRTT + SampleRTT
指数加权移动平均
典型值：0.125

TCP发送方事件

从应用层收到数据后，会进行以下几个步骤：

• 创建segment
• 序列号是segment第一个字节的编号
• 开启计时器
• 设置超时时间TimeOutInterval

如果发生超时事件：

• 重传引起超时的segment
• 重启计时器

收到ACK：

• 如果确认此前未确认的Segment，更新SendBase，如果窗口中还有未被确认的分组，重新启动定时器

发送端伪码

NextSeqNum = InitialSeqNum
SendBase = InitialSeqNum
loop (forever) {
switch(event)
event: data received from application above
create TCP segment with sequence number NextSeqNum
if (timer currently not running)
start timer
pass segment to IP
NextSeqNum = NextSeqNum + length(data)
event: timer timeout
retransmit not-yet-acknowledged segment with
smallest sequence number
start timer
event: ACK received, with ACK field value of y
if (y > SendBase) {
SendBase = y
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
start timer
}
} /* end of loop forever */

TCP重传示例

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快速重传机制

TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔将重新设置，即将超时时间间隔加倍，导致其很大,重发丢失的分组之前要等待很长时间.
通过重复ACK检测分组丢失,Sender会背靠背地发送多个分组,如果某个分组丢失，可能会引发多个重复的ACK.
如果sender收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失.
快速重传：在定时器超时之前即进行重传
算法

event: ACK received, with ACK field value of y
if (y > SendBase) {
SendBase = y
if (there are currently not-yet-acknowledged segments)
start timer
}
else {
increment count of dup ACKs received for y
if (count of dup ACKs received for y = 3) {
resend segment with sequence number y
}

TCP流量控制

接收方为TCP连接分配buffer

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上层应用可能处理buffer中数据的速度较慢

流量控制：发送方不会传输的太多、太快以至于淹没接收方（buffer溢出）

(假定TCP receiver丢弃乱序的segments)
Buffer中的可用空间(spare room)
= RcvWindow
= RcvBuffer-[LastByteRcvd -LastByteRead]

Receiver通过在Segment的头部字段将RcvWindow 告诉Sender。 Sender限制自己已经发送的但还未收到ACK的数据不超过接收方的空闲RcvWindow尺寸。

Receiver告知SenderRcvWindow=0,会出现什么情况？
会出现卡死，发送方不发数据了。关于这些问题具体会在tcp拥塞控制里面讨论。

TCP连接管理

TCP sender和receiver在传输数据前需要建立连接。

三次握手机制

Step 1: client host sends TCP SYN
segment to server
 specifies initial seq #
 no data
Step 2: server host receives SYN, replies
with SYNACK segment
 server allocates buffers
 specifies server initial seq. #
Step 3: client receives SYNACK, replies
with ACK segment, which may
contain data

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四次握手机制

TCP连接管理：关闭

Step 1: client向server发送TCP FIN 控制segment
Step 2: server 收到FIN, 回复ACK. 关闭连接, 发送
FIN.
Step 3: client 收到FIN, 回复ACK.
 进入“等待” –如果收到FIN，会重新发送ACK
Step 4: server收到ACK. 连接关闭.

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由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
　（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。
　（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
　（3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文段6）。
　（4） 客户段发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。