TCP 对数据传输提供的管控机制,主要体现在两个方面:安全和效率。这些机和线程的设计原则是:保证数据安全的前提下,尽可能提高传输效率。
发送方发送给接收方数据之后,接收方就会回应一个应答报文。如果发送方收到这个应答报文,那么就认为接收方已经收到了数据。
由于网络上的传输,充满不确定性,因此不能通过收到数据的顺序来确定逻辑。因此就需要给应答进行编号。TCP 的序号和确认序号,是以字节为单位进行编号的。
针对每个字节进行编号,依次进行累加。(TCP 序号的起始不一定是从1开始的)
解释:第一个请求,A 给 B 发送了1000个字节的数据,序号就是1~1000(假设从1开始编号),这就相当于是发送了一个数据报,这个数据报的序号是1,长度为1000;确认应答数据报,里面的确认序号是1001,意思就是1001之前的数据,B 已经收到了。也可以理解成,B 在向 A 索要1001开始的数据。序号1001~2000的数据传输和应答原理与上面的一致。
TCP 的核心是可靠性,可靠性的核心是确认应答。
消息队列负责保存数据,但是消息对列的存储空间不是无限的。所以存的数据就需要定期淘汰。淘汰的原则就是:如果一个数据没有被消费过,那么就不能被轻易的淘汰!
如何判定这个数据是否被消费过?主要就是通过确认应答机制。
确认应答机制是数据传输比较顺利的情况。但是实际中,数据传输过程中可能会出现丢包的情况。一旦发生数据丢包,就要进入超时传送的机制。
出现数据丢包的原因:
解决方法: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。因此主机 B 会收到很多重复的数据,TCP协议通过数据的序列号就可以达到去重的效果。
超时的时间确定:动态计算这个最大超时时间。
Linux 中 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。当累积到一定的重传次数,仍然得不到应答,TCP 就会认为网络对端主机出现异常,强制关闭连接。
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。
1. 客户端TCP 向 服务器端TCP 发送 SYN同步报文段(请求),请求建立连接。
2. 服务器端TCP 接收到同步报文段之后,就向客户端TCP 发送 SYN应答报文(这个报文的 SYN 和 ACK 都为1),表示客户端的 SYN 报文已被服务端成功接收了。
3. 当客户端收到确认报文之后,继续会向服务器端TCP 返送确认报文段(ACK),确认连接。
本应该是“四次握手”,但是中间的 SYN + ACK 可以合在一起(两个操作是同时发生的)。当客户端的 SYN 到达服务器端时,服务器端就会第一时间进行应答 ACK,同时也会第一时间发起 SYN,这两件事情同时触发,故此合成一次传输。
三次握手的目的:
在网络情况比较差或者比较复杂的情况下,发送方可能会连续多次发送建立连接的请求,如果 TCP 只有两次,那么接收方只能选择接收请求或者拒绝请求,但是并不能分辨是正常的请求还是过期请求,如果是过期的请求就会造成错误的连接。
如果 TCP 是三次握手的话,那么客户端在收到服务器端发送的(SYN + ACK)确认报文之后,就会判断当前连接是否为历史连接,如果是历史连接,就会发送终止报文给服务器终止连接;如果是正常连接,就会发送确认报文,进而建立连接。
TCP 为了保证在不稳定的网络环境中构建一个稳定的数据连接,需要一个“序列号”字段来保证自己的稳定性,而这个序列号的作用就是防止数据包重复发送,以及有效的解决数据包接收时顺序颠倒的问题。
在 TCP 三次握手中的客户端发送给服务器的确认报文之后,就会得到一个可靠的初始化序列号,如果是二次握手,无法进行序列号的确认,进而也就无法得到可靠的序列号了,故此 TCP 连接至少需要三次握手。
“四次挥手的过程”
中断连接端可以是客户端,也可以是服务器端
1. 第一次挥手:客户端发送一个FIN=M,用来关闭客户端到服务器端的数据传送,客户端进入FIN_WAIT_1状态。意思是说"我客户端没有数据要发给你了",但是如果你服务器端还有数据没有发送完成,则不必急着关闭连接,可以继续发送数据
2. 第二次挥手:服务器端收到FIN后,先发送ack=M+1,告诉客户端,你的请求我收到了,但是我还没准备好,请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态,继续等待服务器端的FIN报文。
3. 第三次挥手:当服务器端确定数据已发送完成,则向客户端发送FIN=N报文,告诉客户端,好了,我这边数据发完了,准备好关闭连接了。服务器端进入LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手:客户端收到FIN=N报文后,就知道可以关闭连接了,但是他还是不相信网络,怕服务器端不知道要关闭,所以发送ack=N+1后进入TIME_WAIT状态,如果Server端没有收到ACK则可以重传。服务器端收到ACK后,就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有收到回复,则证明服务器端已正常关闭,那好,我客户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。
“四次挥手补充”
ACK 和 FIN 为什么不能合并发送?
服务器收到客户端的 FIN 就会立即触发 ACK,这个操作是由内核完成的。
服务器发送的 FIN 是由代码控制的,代码中出现了 socket.colse()
这样的操作之后,才会触发 FIN。
CLOSE_WAIT:服务器收到 FIN 之后进入的状态,等待用户代码调用 close,来发送 FIN。
TIME_WAIT:表示客户端收到了 FIN 进入了 TIME_WAIT,这个状态存在的意义主要就是为了处理最后一个 ACK 丢包。即使进程已经退出了,TIME_WAIT 状态仍然会存在(TCP连接不会立即销毁),此状态会等待一定的时间,如果一定的时间没有重传的 FIN 过来,才会真正的销毁。
TCP 不仅仅是为了保证可靠性,还要尽可能提高传输效率。
这种一发一收的过程中,发送方要花费很多时间来等待,性能较差,尤其是在数据往返时间较长的时候。
窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。窗口越大,效率就越高。图中的窗口大小为4000个字节(四个段)。
发送前四个段的时候,不需要等待任何的ACK,直接发送。
收到第一个ACK之后,滑动窗口向后移动,继续发送第五个段的数据;以此类推;
操作系统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那些数据没有应答;只有应答过的数据,才能从缓冲区删掉。
当前窗口的范围是10015000,也就意味着发送方现在同时发送了10012000、20013000、30014000、4001~5000这四段数据,同时也在等待这四段数据的 ACK;
假设2001这个 ACK 先到,发送方就知道10012000这段数据已经被对方收到,也就不用再等待这段数据,接下来就会立即再发一个50016000的数据,仍然保证窗口大小是四段数据,保证当前同时等待的是四段数据的 ACK。(并不是把四份 ACK 都等到,才发送新数据,而是随着ACK 的收到,就继续往后发送)
后发先至的情况?确认序号表示, 从该序号之前,前面的数据都已以收到,例如:如果收到了3001这个 ACK,就表示10012000和20013000都被对方收到,此时2001这个 ACK 收或者不收,已经不是关键。
滑动窗口丢包
这种情况下,部分ACK丢了并不要紧,因为可以通过后续的ACK进行确认;
2. 情况二: 数据包直接丢失
这种机制被称为 “高速重发控制”(也叫 “快重传”)。
流量控制是对滑动窗口的进一步补充。窗口的大小决定了传输的速率,窗口越大,效率越高;反之,效率就越低。
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。
但是如何决定窗口的大小呢?此处的流量控制就是基于接收方的处理能力来限制窗口的大小。(接收缓冲区空余空间的大小)
流量控制过程:
接收端如何把窗口大小告诉发送端呢?在TCP首部中,有一个16位窗口字段,就是存放了窗口大小信息;
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M,实际窗口大小是窗口字段的值左移M位;
虽然 TCP 的滑动窗口能够高效可靠的发送大量的数据。但是在开始不清楚网络状况的情况下,就贸然发送大量的数据,可能会引发严重的问题。
鉴于以上问题,TCP 引入了慢启动机制,先发送少量的数据,摸清当前的网络情况,如果数据没有发生丢包,就说明网络通畅,可以加大发送速率;如果数据出现丢包,就说明网络拥堵,就降低发送速率。(通过这样的方式决定发送窗口的大小)
拥堵控制过程:
以上的拥塞窗口的增长速度,是指数级别的。“慢启动”只是指初始时慢,但是增长速度非常快。
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。
在保证可靠性的基础上,使得窗口尽可能再大一些。
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。
所有的包都可以做延时应答吗?肯定不是。
1. 数量限制:每隔N个包就应答一次;
2.时间限制:超过最大延迟时间就应答一次
具体的数量和超时时间,依操作系统不同也有差异;一般N取2,超时时间取200ms;
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