深入理解TCP协议

目录

可靠传输

停止等待ARQ协议

连续ARQ协议 + 滑动窗口协议

SACK(选择性确定)

流量控制

流量控制原理

特殊情况

拥塞控制

拥塞控制

方法

慢开始

拥塞避免

快重传

快恢复

快重传 + 快恢复

发送窗口的最大值

连接管理

序号、确认号

建立连接

三次握手

状态解读

前2次握手的特点

疑问

释放连接

4次挥手

状态解读

细节

疑问

抓包

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TCP协议（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内 另一个重要的传输协议。 

• 可靠传输

  • 停止等待ARQ协议

    • ARQ(Automatic Reqeat - reQuest),自动重传请求

• 若有包重传了N次还是失败，会一直持续重传到成功为止吗？
  • 取决于系统的设置，有些系统，重传5次还未成功就会发送reset报文(RST)断开TCP

• 连续ARQ协议 + 滑动窗口协议

• 假设每一组数据是100字节，代表一个数据段的数据。每一组给一个编号 

• SACK(选择性确定)

• 在TCP通信过程中，如果发送序列中间某个数据报丢失(比如1、2、3、4、5中的3丢失了)
  • TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组(最后确认的是2，会重传3、4、5)
  • 这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送(比如4、5)，降低了TCP性能
• 为改善上述情况，发展了SACK(Selective Acknowledgment,选择性确认)技术
  • 告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到
  • 使TCP只重新发送丢失的包(比如3)，不用发送后续所有的分组(比如4、5)

•  SACK信息会放在TCP首部的选项部分
  • kind：占1字节，值为5代表这是SACK选项
  • Length：占1字节，表明SACK选项一共占用多少字节
  • Left Edge：占4字节，左边界
  • Right Edge：占4字节，右边界
  • TCP首部选项部分最多40字节，SACK选项中最多携带4组边界信息(4 * 8 + 2 = 34)

为什么选择在传输层就将数据“大卸八块”分成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层？

• 可以提高重传的性能
• 可靠传输是在传输层进行控制的
  • 如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传
  • 如果在传输层分段，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的那些段即可

• 流量控制

  • 流量控制原理

    • 如果接收方的缓存区满了，发送方还在疯狂着发送数据
      • 接收方只能把收到的数据报丢掉，大量的丢包会极大着浪费网络资源
      • 所以要进行流量控制
    • 什么是流量控制
      • 让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收处理
    • 原理
      • 通过确认报文中窗口字段来控制发送方的发送速率
      • 发送方的发送窗口大小不能超过接收方给出窗口大小
      • 当放送方收到接受窗口的大小为0时，发送方就会停止发送数据

  • 特殊情况

    • 有一种特殊情况
      • 一开始，接收方给发送方发送了0窗口的报文段
      • 后面，接收方又有了一些存储空间，给发送方发送的非0窗口的报文段丢失了
      • 发送方的发送窗口一直为零，双方陷入僵局
    • 解决方案
      • 当发送方收到0窗口通知时，这时发送方停止发送报文
      • 并且同时开启一个定时器，隔一段时间就发个测试报文去询问接收方最新的窗口大小
      • 如果接收的窗口大小还是为0，则发送方再次刷新启动定时器

• 拥塞控制

  • 拥塞控制

    • 防止过多的数据注入到网络中
    • 避免网络中的路由器或链路过载
    • 拥塞控制是一个全局性的过程
      • 涉及到所有的主机、路由器
      • 以及与降低网络传输性能有关的所有因素
      • 是大家共同努力的结果
    • 相比而言，流量控制是点对点通信的控制
      

  • 拥塞控制 - 方法

  • 慢开始（slow start，慢启动）

    

    
    

  • cwnd的初始值比较小，然后随着数据报被接收放确认(收到一个ACK)
    • cwnd就成倍增长(指数级）

• 拥塞避免（congestion avoidance）

  

  • ssthresh
    • 慢开始阀值，cwnd达到阀值，以线性方式增加
  • 拥塞避免(加法增大)
    • 拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞
  • 乘法减小
    • 只要网络出现拥塞，把ssthresh减为拥塞峰值的一半，同时执行慢开始算法(cwnd又恢复到初始值）
    • 当网络出现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快

• 快重传（fast retransmit）
  

  • 接收方
    • 每收到一个失序的分组后就立即发出重复确认
    • 使发送方及时知道有分组没有到达
    • 不要等待自己发送数据时才进行确认
  • 发送方
    • 只要连续收到三个重复确认(总共4个相同的确认)，就应该立即重传对方尚未收到的报文段
    • 不必继续等待重传计时器到期后再重传

• 快恢复（fast recovery）

• 几个单词缩写
  • MSS（Maximum Segment Size）:每段最大的数据部分大小(在建立连接时确定)
  • cwnd（congestion window）：拥塞窗口（在发送方）
  • rwnd（receive window）：接收窗口
  • swnd（send window）：发送窗口（swnd = min（cwnd，rwnd））

• 快重传 + 快恢复

  

  • 当发送方连续收到三个重复确认，说明网络出现拥塞
    • 就执行“乘法减小”算法，把ssthresh减为拥塞峰值的一半
  • 与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，即cwnd现在不恢复到初始值
    • 而是把cwnd值设置为新的ssthresh值（减小后的值）
    • 然后开始执行拥塞避免算法(“加法增大”)，使拥塞窗口缓慢地线性增大

• 发送窗口的最大值

  • 发送窗口的最大值：swnd = min（cwnd，rwnd）
  • 当rwnd < cwnd时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值
  • 当cwnd < rwnd时，是网络的拥塞限制发送窗口的最大值

• 序号、确认号
  

  

  

  

1.客户端第一次发送请求(SYN=1,ACK=0)给服务器建立连接，所以seq相对和ack相对都是0,,s1是随机生成的随机数

2.服务器第一次发送东西(SYN=1,ACK=1)给回客户端,seq相对也是0，ack相对是1,是告诉客户端收到了它的0个字节,希望客户端能够发第ack相对个字节(1)的数据给服务器。s2是服务器随机生成的值。只有前二次SYN是1，后面SYN都是0。

3.客户端收到服务器给回的信息后，从第一个字节开始发送东西，所以seq相对是1，ack相对是对上一个服务器的回应，表示收到服务器的0个字节，并且希望接下来从1开始发

4.客户端开始向服务器发送HTTP请求(k个字节)，seq相对和ack相对都是对上一个服务器的回应，所以都还是1，

5.服务器收到客户端的k个字节数据，所以服务器的ack相对是k+1，希望客户端接下来发送第k+1个数据包给服务器

6.第5点中服务器发送给客户端b1个字节了，接下来开始发送第b1+1的数据包给客户端，ack表示要客户端发送第k+1个数据包给服务器

7.第6点中服务器发送给客户端b2个字节了，接下来开始发送第b2+b1+1的数据包给客户端，ack表示要客户端发送第k+1个数据包给服务器

7.第7点中服务器发送给客户端b3个字节了，接下来开始发送第b3+b2+b1+1的数据包给客户端，ack表示要客户端发送第k+1个数据包给服务器

8.客户端接收到服务器的数据后，开始发送第k+1个数据，所以seq相对是k+1，ack相对是告诉服务器，客户端一共收到了b1+b2+b3+b4+1个数据

• 客户端seq跟服务器ack是一对，服务器seq跟客户端ack是一对。
• 客户端seq相对是0，服务器ack是1，表示客户端发送0个字节数据给服务器，服务器接收客户端的0个字节数据，并且希望客户端能够发第1个字节的数据给服务器。
• 服务器seq相对是0，客户端ack是1，表示服务器发送0个字节数据给客户端，客户端接收服务器的0个字节数据，并且希望服务器能够发第1个字节的数据给服务器。

• 连接管理

  • 建立连接

    • 三次握手 

      

    • 状态解读

      • CLOSED(关闭)
        • ​​​​​​​client处于关闭状态
      • LISTEN(监听)
        • ​​​​​​​​​​​​​​server处于监听状态，等待client连接
      • SYN - RCVD(同步已发送)
        • ​​​​​​​表示server接受到SYN报文，当收到client的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态
      • SYN - SENT(同步已接收)
        • ​​​​​​​表示client已发SYN报文，等待server的第2次握手
      • ESTABLISHED(连接已经建立)
        • ​​​​​​​表示连接已经建立

    • 前2次握手的特点

      • SYN都设置为1，数据部分的长度都为0
      • TCP头部的长度一般都是32字节
        • 固定头部：20字节，选项部分：12字节
      • 双方会交换确认一些信息
        • 如MSS、是否支持SACK、Window scale(窗口缩放系数)等
        • 这些数据都放在TCP头部都选项部分中（12字节）

    • 疑问

      • 为什么建立连接的时候，要进行3次握手？2次不行吗？
        • 主要目的：防止服务器端移植等待，浪费资源
      • 如果建立连接只需要2次握手，可能会出现的情况
        • 假设client发出的第一个连接请求报文段，因为网络延迟，在连接释放以后的某个时间才到达server
        • 本来这是一个早已失效的连接请求，但服务器收到此失效的请求后，误以为是client再次发出的一个新的连接请求
        • 于是server就向client发出确认报文段，同意建立连接
        • 如果不采用“3次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了
        • 由于现在client并没有真正想连接服务器的意愿，因此不会理睬server的确认，夜不会向server发送数据
        • 但server却以为新的连接已经建立，并一直等待client发来数据，这样，server的很多资源就白白浪费了
      • 采用“3次握手”的办法可以防止上述现象发生
        • 上述情况，client没有向server的确认发出确认，server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接
      • 第3次握手失败了，会怎么处理？
        • 此时server的状态为SYN - RCVD，若等不到client的ACK，server会重新发送SYN + ACK包
        • 如果server多次重发SYN + ACK都等不到client的ACK，就会发送RST包，强制关闭连接

  • 释放连接

    • 4次挥手

      

    • 状态解读

      • FIN-WAIF-1(终止等待-1)
        • ​​​​​​​表示想主动关闭连接
        • 向对方发送了FIN报文，此时进入到FIN-WAIF-1状态
      • CLOSE-WAIT(关闭等待)
        • ​​​​​​​表示在等待关闭
        • 当对方发送FIN给自己，自己会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE-WAIT状态
        • 在此状态下，需要考虑自己是否还有数据要发送给对方，如果没有，发送FIN报文给对方
      • FIN-WAIT-2(终止等待-2)
        • ​​​​​​​只要对方发送ACK确认后，主动方就会处于FIN-WAIT-2状态，然后等待对方发送FIN报文
      • CLOSING
        • 一种比较罕见的例外状态
        • 表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文
        • 如果双方几乎在同时准备关闭连接的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态
        • 表示双方都正在关闭连接
      • LAST-ACK​​​​​​​(最后确认)
        • 被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文
        • 当收到ACK报文后，即可进入CLOSED状态了
      • TIME-WAIT(时间等待)
        • 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可进入CLOSED状态了
        • 如果FIN-WAIT-1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志等报文时
        • 可以直接进入到TIME-WAIT状态，而无须经过FIN-WAIT-2状态
      • CLOSED(关闭)
        • 关闭状态
        • 由于有些状态到时间比较短暂，所有很难用netstat命令看到
        • 如：SYN-RCVD、FIN-WAIT-1等

    • 细节

    • TCP/IP协议栈在设计上，允许任何一方先发起断开请求。这里是client主动要求断开
      • ​​​​​​​client发送ACK后,需要有个TIME-WAIT阶段,等待一段时间后，再真正关闭连接
      • 一般是等待2倍的MSL(Maximum Segment Lifetime 最大分段生存期)
        • MSL是TCP报文在Internet上的最长生存时间
        • 每个具体的TCP实现都必须选择一确定的MSL值，RFC 1122建议是2分钟
        • 可以防止本次连接中产生的数据包误传给下一次连接中(因为本次连接中的数据包都会在2MSL时间内消失了)
      • ​​​​​​​如果client发送ACK后马上释放了，然后又因为网络原因，server没有收到client的ACK，server就会重发FIN
        • ​​​​​​​这时候可能出现的情况是
          • ​​​​​​​client没有任何响应,服务器那边会干等，甚至多次重发FIN，浪费资源
          • client有个新的应用程序刚好分配了同一个端口号，新的应用程序收到FIN后马上开始执行断开连接的操作，本来它可能是想跟server建立连接的​​​​​​​

    • 疑问

      • 为什么释放连接的时候，要进行4次挥手
        • TCP是全双工模式
        • 第一次挥手
          • 当主机1发出FIN报文段时
            • 表示主机1告诉主机2，主机1已经没有数据要发送了，但是此时主机1还是可以接受来自主机2的数据
        • 第二次挥手
          • 当主机2返回ACK报文段时
            • 表示主机2已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的
        • 第三次挥手
          • 当主机2也发送了FIN报文段时
            • 表示主机2告诉主机1，主机2已经没有数据要发送了
        • 第四次挥手
          • 当主机1返回ACK报文段时
            • 表示主机1知道主机2没有数据发送了，随后正式断开TCP连接

    • 抓包

      • 有时候在使用抓包工具的时候，有可能只会看到“3次”挥手
        ​​​​​​​

        

        • 这其实是将第2、3次挥手合并了​​​​​​​ 
      • 当server接受到client的FIN时，如果server后面也灭有数据要发送给client了
        • 这是嘛，server就可以将第2、3次挥手合并，同时告诉client两件事
          • 已经知道client没有数据要发
          • server已经没有数据要发了