TCP相关概念

目录

一.滑动窗口

1.1概念

 1.2滑动窗口存在的意义

1.3 滑动窗口的大小变化

 1.4丢包问题

二.拥塞控制

 三.延迟应答

四.捎带应答

五.面向字节流

六.粘包问题

七.TIME_WAIT状态

八.listen第2个参数

九.TCP总结

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一.滑动窗口

1.1概念

概念：双方在进行通信时，一方可以一次性向另一方发送多条消息，这样可以将等待多个响应的时间重叠起来，进而提高数据通信的效率。

 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，操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 还需要开辟发送缓冲区 ，只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉。

其实可以将发送缓冲区当中的数据分为三部分：

• 已经发送并且已经收到ACK的数据。
• 已经发送还但没有收到ACK的数据。
• 还没有发送的数据。

 1.2滑动窗口存在的意义

可以提高传输数据的效率

滑动窗口的大小等于对方窗口大小与自身拥塞窗口大小的较小值，因为发送数据时不仅要考虑对方的接收能力，还要考虑当前网络的状况。可以一次性发送多条消息，将多个等待时间重叠起来，滑动窗口越大，则网络的吞吐率越高，同时也说明对方的接收能力很强。

1.3 滑动窗口的大小变化

滑动窗口不一定会整体右移，会根据对方的接受能力不断改变。一般情况下滑动窗口是向右移动，说明对方接受能力稳定。如果对方不接收或16位窗口大小变小了，说明对方接受能力变小，滑动窗口会变小，即：start_index 会向右走，end_index不动；如果对方返回的16位窗口大小变大了，说明对方接受能力变大，滑动窗口会变大，即：start_index不动 ，end_index向右走。

 1.4丢包问题

如果一次性发送多条数据，出现丢包了，该如何解决呢？

情况一：数据被对方接受了，但自己未收到对方ACK应答

 这种情况相对好点，即使前面几条ACK应答丢了，但只要自己收到了较大的ACK应答（确认序号更大），就说明在收到的较大ACK应答对应的那条数据以及之前的数据，对方都接受到了。

情况二：数据未被对方接受到。那么直接进行重新发送。

在上面的那个例子中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;

这个时候接主机B收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了,因为之前的数据都已经收到了， 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").

二.拥塞控制

如果双方在进行通信过程中，发生了大量的丢包问题，那么可能就是网络出现了问题。

如何去解决呢？

能否用滑动窗口解决：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,是很有可能会进一步导致问题更严重。能否进行重传：一样，再次向网络上输入数据，就可能造成更严重的问题。

解决方法：

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，  此处引入一个概念程为拥塞窗口，定义：在拥塞窗口发送数据量以内不会拥塞，超过可能会引发拥塞问题。

例如，当出现拥塞时，将拥塞窗口定义为一个较小的值，当能收到ACK应答时，在不断去增大这个拥塞窗口（以指数级别）。滑动窗口的大小= min(对方的窗口大小，拥塞窗口)

补充：

在慢启动时是以指数级别增加的，增加到一定程度时，会线性增长。

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, 而是按照线性方式增长。当TCP刚开始启动的时候，慢启动阈值设置为对方窗口大小的最大值。在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成当前拥塞窗口的一半，同时拥塞窗口的值被重新置为1，如此循环下去。

 三.延迟应答

当接受数据的一方收到数据后，不要立即进行ACK应答。（实际接收端处理数据的速度很快，可能在很短额时间内就将接受缓冲区内的数据读取了）接收端稍微等一会再进行ACK应答，比如等待200ms再应答，那么这时返回的ACK应答中窗口大小就能更大。

此外，不是所有的数据包都可以延迟应答。

• 数量限制：每个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（这个时间不会导致误超时重传）。

延迟应答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。

四.捎带应答

概念：当一方要给另一方发送响应时，同时也要给对方发送消息，那么二者可以一起发送，双方通信时就不是单独发送确认报文，单独发送ACK响应,这样也增大了传输效率。

五.面向字节流

在创建一个TCP的socket时，同时在内核中会创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。由于缓冲区的存在，发送数据的方式和数据的格式完全无关系，即TCP程序的读和写不需要匹配。

  1.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, 等到缓冲区数据有一定数量了, 或者其他合适的时机发送出去。（调用write可以认为是在拷贝数据到相关内核中，具体什么时候发送是由操作系统决定的）

 2.在接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区，然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据;

 TCP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

例如：

写100个字节数据时，可以调用一次write写100字节，也可以调用100次write，每次写一个字节。

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read100个字节，也可以一次read一个字节，重复100次。

六.粘包问题

这个概念是在应用层上的。因为TCP通信是面向字节流的，

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。站在传输层的角度，TCP的报文是按照序号排好序放在缓冲区中，站在应用层的角度, 看到的只是一串连续的字节数据。

如何解决呢？

要解决粘包问题，本质就是要明确报文和报文之间的边界。

对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可。
对于变长的包，可以在报头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位置。比如HTTP报头当中就包含Content-Length属性，表示正文的长度。
对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符。因为应用层协议是程序员自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可。

UDP协议来说, 是否也存在 "粘包问题" 呢?

不存在，因为UDP协议是面向数据报的。

面向数据报:当应用层交给UDP多长的报文，UDP就原样发送，既不会拆分，也不会合并，这就叫做面向数据报 ，不能够灵活的控制读写数据的次数和数量。

因为UDP报头当中的16位UDP长度记录的是UDP报文的长度，因此UDP在底层的时候就把报文和报文之间的边界明确了，而TCP存在粘包问题就是因为TCP是面向字节流的，TCP报文之间没有明确的边界。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。

七.TIME_WAIT状态

前面已经介绍了，双方在通信过程中，主动断开连接的一方，在完成4次挥手后，不会立即进入CLOSED状态，而是进入短暂的TIME_WAIT状态等待若干时间，最终才会进入CLOSED状态。

若是服务器先断开连接，在TIME_WAIT的时间里，该连接处于TIME_WAIT期间，如果服务器想要再次重新启动，就会出现绑定失败的问题（绑定同一个端口号）。因为在TIME_WAIT期间，这个连接并没有被完全释放，也就意味着服务器绑定的端口号仍然是被占用的，此时服务器想要继续绑定该端口号启动，就只能等待TIME_WAIT结束。

解决办法：setsockopt，让服务器在调用socket函数创建套接字后，继续调用setsockopt函数设置端口复用。

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数解释：

sockfd：需要设置的套接字对应的文件描述符。
level：被设置选项的层次。比如在套接字层设置选项对应就是SOL_SOCKET。
optname：需要设置的选项。该选项的可取值与设置的level参数有关。
optval：指向存放选项待设置的新值的指针。
optlen：待设置的新值的长度

例如：

int opt = 1;
setsockopt(listen_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

八.listen第2个参数

创建TCP服务端流程：套接字创建、绑定、监听，调用accept函数。

TCP在进行连接管理时会用到两个连接队列：

• 全连接队列（accept队列）。全连接队列用于保存处于ESTABLISHED状态，但没有被上层调用accept取走的连接。
• 半连接队列。半连接队列用于保存处于SYN_SENT和SYN_RCVD状态的连接，也就是还未完成三次握手的连接。

一般全队列的长度是等于listen的第2个参数的值+1.

意义：服务器启动一般会启动多个线程（数量也是有限的），主线程从底层accept上来连接后就可以将其交给这些服务线程进行处理。当所有线程都在运行时，维护一个全队列，不会直接拒接客户端的连接请求，而是在一些线程空闲时在accept这些全队列中的请求。

九.TCP总结

可靠性：

• 检验和。
• 序列号。
• 确认应答。
• 超时重传。
• 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。

TCP的各种机制实际都没有谈及数据真正的发送，这些都叫做传输数据的策略。TCP协议是在网络数据传输当中做决策的，它提供的是理论支持，比如TCP要求当发出的报文在一段时间内收不到ACK应答就应该进行超时重传，而数据真正的发送实际是由底层的IP和MAC帧完成的。