传输层重点协议

1.TCP协议

TCP,即Transmission Control Protocol,传输控制协议。人如其名,要对数据的传输进行一个详细的控制。
 

TCP协议段格式

传输层重点协议_第1张图片

  1. 源/目的端口号:表示数据是从哪个进程来,到哪个进程去;
  2. 32位序号/32位确认号:
  3. 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
  4. 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;我们把携带RST标识的称为复位报文段
  • SYN:请求建立连接;我们把携带SYN标识的称为同步报文段
  • FIN:通知对方,本端要关闭了,我们称携带FIN标识的为结束报文段
     

    5.16位窗口大小:

    6.16位校验和:发送端填充,CRC校验。接收端校验不通过,则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部,也包含TCP数据部分。

    7.16位紧急指针:标识哪部分数据是紧急数据;

    8.40字节头部选项:
 

2.TCP原理

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。
这些机制和多线程的设计原则类似:保证数据传输安全的前提下,尽可能的提高传输效率。

确认应答机制(安全机制)


传输层重点协议_第2张图片

 TCP将每个字节的数据都进行了编号,即为序列号。

传输层重点协议_第3张图片

每一个ACK都带有对应的确认序列号,意思是告诉发送者,我已经收到了哪些数据;下一次你从哪里开始发。
 

超时重传机制(安全机制)

传输层重点协议_第4张图片
 

  • 主机A发送数据给B之后,可能因为网络拥堵等原因,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;
 

传输层重点协议_第5张图片

因此主机A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,如果超时的时间如何确定?

  • 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。
     

连接管理机制(安全机制)(TCP如何建立连接,TCP如何断开连接)

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

TCP本来都已经保证可靠传输了,为啥还得三次握手,握2次,握4次行不行?

三次握手就是在投石问路,确认当前网络环境是否具备能够进行可靠传输,如果网络不通畅,后续会出现大规模丢包和重传,三次握手也是在进一步验证,通信双方发送能力和接收能力是否都正常。协商一些重要参数。

如果握俩次会出现以下情况:

传输层重点协议_第6张图片

很明显俩次握手不会保证通信正常! 

如果握四次会出现效率太低:

传输层重点协议_第7张图片

四次挥手:

传输层重点协议_第8张图片

当客户端触发FIN之后,服务器只要收到FIN,就会立即返回ACK(内核完成的)

当服务器的代码中运行到socket.close()操作的时候,就会触发FIN~ 

谁主动断开连接,谁进入TIME_WAIT

建立连接,一定是客户端主动发起,断开连接,可能是客户端,也可能是服务器主动发起

TIME_WAIT这个状态会脱离进程存在,存在的目的就是为了处理最后一个ACK丢包之后重传问题

传输层重点协议_第9张图片

传输的过程中,任意的包都是可能会丢的~

其中第一组FIN或者ACK丢了,此时A都是没有收到ACK,A就会重传FIN

其中第二组FIN或者ACK丢了,此时B都是没有收到ACK,B就会重传FIN 

因此A这边回复完最后一个ACK之后,不着急释放,先等一等

等一段时间之后,确保当前FIN不被重传了,然后才真的释放连接。

TIME_WAIT等待的时间叫做2MSL(MSL就是网络俩点之间消耗的最大时间)

此处的MSL的值也是可以配置的。

传输层重点协议_第10张图片

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确认报文。
  • [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connect,发送同步报文段;
  • [syn_sent -> established] connect调用成功,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_wai_1t;
  • [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。
     

传输层重点协议_第11张图片

CLOSE_WAIT
一般而言,对于服务器上出现大量的 CLOSE_WAIT 状态,原因就是服务器没有正确的关闭 socket,导致四次挥手没有正确完成。这是一个 BUG。只需要加上对应的 close 即可解决问题。
 

滑动窗口(效率机制)

刚才我们讨论了确认应答策略,对每一个发送的数据段,都要给一个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。

传输层重点协议_第12张图片

 

改进:

传输层重点协议_第13张图片

  • 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。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;

那么如果出现了丢包,如何进行重传?这里分两种情况讨论。

情况一:数据包已经抵达,ACK被丢了。

传输层重点协议_第14张图片

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;


 

情况二:数据包就直接丢了。

传输层重点协议_第15张图片

这个主机A连续发了很多数据,

1-1000
1001-2000                 在这个过程中,虽然B在不停的收到新的数据
2001-3000                 但是B一直在向A索要1001这个数据~~
                                  在B反复的几次ACK都是在索要1001之后,此时A就明白了1001这个数据怕是                                    丢了~~        

                                  就会触发重传机制~~
                                  此时就会把1001进行重传~~
                                 一旦把1001重传了之后,此时主机B就把缺失的这块数据给填补上了~~返回的                                    就是7001了.
                                  是否要返回2001 ??不需要的~~7001其实就涵盖了之前收到的一系列数据~~
                                  当B一直返回1001的时候,A仍然在努力的往后发数据.
                                  虽然B嘴上要的是1001,但是B的心里仍然默默的把A付出的这些数据都记住                                    了~~
                                  当1001这里填补上之后,B检查自己的接收缓冲区,就发现,7001之前的数据都                                   齐了于是返回的ACK就直接是7001了~~

  • 当某一段报文段丢失之后,发送端会一直收到 1001 这样的ACK,就像是在提醒发送端 "我想要的是 1001" 一样;
  • 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答,就会将对应的数据 1001 -2000 重新发送;
  • 这个时候接收端收到了 1001 之后,再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了,被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;

 这种机制被称为 "高速重发控制"(也叫 "快重传")。

流量控制(安全机制)
对滑动窗口进行了制约
滑动窗口窗口越大,就认为传输速率越高~~滑动窗口也不是越大就越好.
可靠性是第一要务I如果发的太快,接收方顶不住了,,额外发出去的数据大概率还是要丢包=>触发了超时重传.….
也不是越大越好,一定是合适才是最好的~~
发送方的发送速率要和接收方的处理速率相匹配.
流量控制,主要是根据接收方处理数据的能力,来制约发送方的滑动窗口大小.发送方的滑动窗口大小是变化的(不是固定)
如何衡量接收方的处理速率?处理的速率取决于应用程序,调用socket api读数据的速度~~

传输层重点协议_第16张图片

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);

这里就用到数据结构中的阻塞队列,和生产者消费者的阻塞队列一样起到缓冲作用。

  • 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段,通过ACK端通知发送端;
  • 窗口大小字段越大,说明网络的吞吐量越高;
  • 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。

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M,实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M位;
 

拥塞控制(安全机制)

传输层重点协议_第17张图片

  • A和B之间通过这一系列的设备进行转发传输~~
  • A到B之间的通信,一方面会受到B的处理能力的影响
  • 一方面也会受到中间的转发节点的处理能力的影响~~

相比于流量控制,拥塞控制是更复杂的~~

流量控制只考虑接收端一个人~~

拥塞控制考虑整个链路.这个链路上有多少个设备,这些设备都是啥情况??相当复杂的话题~~ 

由于这个中间的链路非常复杂.
拥塞控制的解决方案,是吧中间的整个链路视为一个整体~~通过“实验”的方式,找到一个合适的发送窗口大小~~
不断的尝试不同的窗口大小,在保证可靠性(不丢包)的前提下,尽可能的提高发送速度~~

拥塞控制会设置出一个"拥塞窗口”这样的指标.通过拥塞窗口来影响到滑动窗口的窗口大小~~
拥塞窗口也是动态变化的.刚开始用一个比较小的值(让发送方发的慢点)如果通信非常顺利,也没有丢包,就会逐渐放大拥塞窗口~~
加快发送的速度.同时密切监测丢包情况.如果加到一定程度了,发生丢包,意思就是网络链路已经顶不住~~立即再减小窗口大小让速度再慢下来如果不丢包了,再逐渐加码~~~反复重复上述过程,拥塞窗口就会逐渐稳定到某个合适的值上~~
这样的动态变化是非常有意义的~~网络环境非常复杂~~导致进行网络传输的时候很容易出现一些突然情况~~

拥塞控制会影响到滑动窗口

流量控制也影响滑动窗口~

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器,能够高效可靠的发送大量的数据。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,是很有可能引起雪上加霜的。
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;

流量控制:限制滑动窗口大小(根据接收方的处理能力,接收方的接收缓冲区剩余空间大小)

拥塞控制:限制滑动窗口大小(根据发送方接收中间的传输链路的拥堵情况,来确定的)

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(效率机制)

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;
     

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

传输层重点协议_第18张图片

捎带应答(效率机制)

传输层重点协议_第19张图片
 

TCP四次挥手,有没有可能是三次呢?

有可能,因为捎带应答!

传输层重点协议_第20张图片

粘包问题(TCP机制延伸出来的问题)

所谓的粘包问题,指的是,当有多个TCP数据包到达的时候,如果不显式的约定包和包之间的边界,就很容易对数据产生混淆


传输层重点协议_第21张图片

任何的面向字节流传输机制,都会涉及到这个粘包问题。

(读写文件) 

粘包,粘的是应用层数据报,只要能够区分清楚,应用层数据报和报之间的边界,就可以区分了

靠的就是应用层协议的设定!

传输层重点协议_第22张图片

如果我们是使用纯TCP写客户端服务器程序,并且自己从零开始设计应用层协议,这个时候就必须特别注意粘包问题 .

重新审视一下Http(应用层协议)

Http是否存在粘包问题?Http是如何解决的粘包问题

传输层重点协议_第23张图片

处理粘包问题的俩种方案:

  • 1.通过分隔符
  • 2.通过长度指定 

 现成的库和框架,已经帮我们把粘包问题都处理好了~~大多数情况下,咱们也不太会遇到这个问题~~但是如果我们是需要自己动手开发一个网络相关的库/框架,大家一定要注意到这里粘包问题的效果

异常机制

建立好连接的双方,在通信的过程中,遇到了一些突发状况,如何处理?

1.进程终止

A B 其中某个进程突然终止(崩溃了,或者被强制杀死)

如果直接杀死进程,看起来是触不及防,但实际上操作系统是早有准备~~
操作系统会释放这个进程的相关资源. (TCP这里依赖了一个socket文件,操作系统就会自动的关闭这个socket文件)这个自动关闭的过程基本类似于socket.close()【触发四次挥手】

2.机器重启

按照操作系统的既定流程重启~~

点击系统的关机/重启按钮

就会由操作系统,先把当前所有的应用程序,先强制杀死~~

—杀进程,就和上面的1是一样的了!!就会释放socket 文件,同时触发FIN

3.机器掉电/网线断开

传输层重点协议_第24张图片

传输层重点协议_第25张图片 

UDP和TCP对比

TCP:可靠性

UDP: 效率更高(分布式系统中,同一个机房内部的多个机器之间的通信,一个机房里网络结构比较简单,带宽也比较充裕,这个时候丢包的概率是不大的)

你可能感兴趣的:(JavaSE,计算机网络,网络,服务器,tcp/ip)