TCP协议详细图解（含三次握手、滑动窗口等十大机制）

目录

• 一、TCP协议（可靠传输）
• • 1、确认应答机制
  • 2、超时重传
  • 3、连接管理（三次握手、四次挥手）重要！！！
  • 4、滑动窗口（保证可靠性的前提下尽量提高效率）
  • 5、流量控制（是滑动窗口的延伸，限制滑动窗口发送的速率）
  • 6、拥塞控制（是滑动窗口的延伸，限制滑动窗口发送的速率）
  • 7、延时应答（流量控制的延伸，尽量使接收缓冲区剩余空间更大）
  • 8、捎带应答（延时应答的延伸）
  • 9、粘包问题（面向字节流）
  • 10、异常处理
• 二、UDP协议

TCP协议和UDP协议都是传输层的重要协议，负责数据能够从发送端传输到接收端。

一、TCP协议（可靠传输）

TCP协议报文的构成如下：

• TCP传输的特点
  1. 有连接（发送方与接收方需要建立连接）
  2. 可靠（发送方知道接收方是否收到数据）
  3. 面向字节流（按字节传输数据）
  4. 全双工（发送方和接收方可以同时传输数据）

1、确认应答机制

确认应答机制关键就在于：接收方在收到数据后，会向发送方回复一个类似于“收到”的消息(ACK)

但是如果发送方同时发送多个数据，就可能有如下情况（后发的消息可能先到达）

上述就会导致接收方收到的消息不能正确传达给发送方，所以需要引入一个序号

这就是TCP报头中的 序号 和 确认序号，TCP中的序号与确认序号是按照字节进行编号的 。

但是当传输过程中出现丢包时，不能正确返回ACK，发送方就不能发送接下来的数据，所以就会触发 超时重传

2、超时重传

当数据在传输过程中丢包时，会触发超时重传 — 在一定时间内没收到ACK，发送方就重新传一次数据

但是如果是ACK丢了，发送方就会发送两次数据（但是TCP内部会自动去重），就不会导致接收方收到两次重复的消息

当网络遭受严重伤害，发送方重传多次都没有收到ACK，发送方就会放弃重传，自动断开 TCP 的连接

3、连接管理（三次握手、四次挥手）重要！！！

• 客户端与服务器如何建立连接 — 三次握手

  • 客户端和服务器经过 三次交互，建立连接 ，在三次握手没问题的前提下，就可以确定当前网络满足可靠传输的基本条件
    

  • 将接收方的ACK和SYN封装为一次发送，更高效
    

  • 为什么非要三次握手？两次行不行？四次行不行？

    **两次不行！！！**三次握手是在检测进行通信的双方，发送能力和接受能力是否都正常。
    四次行，但没必要！ 将中间的两次合并，效率更高！
    
    经历了上述的三次交互过程，就能确定通信双方的 发送能力 和 接受能力都良好，具备可靠传输的前提，能建立连接。

  • 当客户端与服务器建立连接后，就需要用一定的数据结构来保存连接的相关信息（源IP，源端口号，目的IP，目的端口号，协议类型）

• 客户端与服务器如何断开连接 — 四次挥手

  • 客户端和服务器要断开连接，就需要释放掉保存的连接信息。
    

  • 四次挥手 可以是客户端发起的，也可以是服务器发起 的。

  • 四次挥手中，2，3发送的时机不一样，所以一般不能合并起来发送，如果两个发送的时间差很小，就可以合并。

  • 必须四次挥手都完成后，双方才断开连接。

    • 第三次挥手后，A将ACK发过去后，就立即断开连接吗？

      不行！！如果A将ACK发过去后就断开连接，假设此ACK丢包了，就会触发B的超时重传，B重新发送的FIN就无人响应，所以A要等一段时间，这个等待的状态就叫做 TIME_WAIT。在确保B不会重传了之后，再真正断开连接。这个等待时间是（2 * MSL）
      MSL：网络上任意两点之间，传输所需的最大时间。一般设为 60s

4、滑动窗口（保证可靠性的前提下尽量提高效率）

由于确认应答机制的存在，发送方在每次发送完数据后，都会等待接收方的ACK（导致大量的时间都花在等待ACK上面了）

为了保证传输效率，所以一次发送一波数据

上述例子中，一次发送四组数据，然后统一等待ACK，就将等待ACK的时间压缩了。
当发送方收到第一组ACK时，就继续发送下一组（4001~5000）的数据，此时等待的ACK的范围就发生了变化（2001，3001，4001，5001），后面的同理。

窗口越大，传输效率越高 窗口越大，一份时间里就可以等待更多的ACK，总的等待时间更少。

但是如果滑动窗口下丢包了，怎么处理呢？（快速重传）

1、假设ACK丢了

没有问题，直接继续发送，当收到 “下一个是2001” 的ACK时，说明2001之前的数据已经都收到了，所以有没有收到1001的ACK无所谓了，直接可以继续向下发送

2、假设数据丢了（触发重传）
当没有收到数据（假设为1001~2000），接收方就会一直向发送方索要1001 ~ 2000的数据

当发送方连续三次收到同样的ACK时，就会触发重传

同理，如果中途有其他数据丢包，接收方也会反复向发送方索要该数据，直到收到重传的数据。

5、流量控制（是滑动窗口的延伸，限制滑动窗口发送的速率）

• 在滑动窗口中，窗口越大，传输的效率就越高，但是 还需要考虑接收方的接受能力。
  
  如上图所示，如果发送方发的太快了，填完缓冲区后，还源源不断的发送数据，接收方接收来不及，就会直接丢包。
• 滑动窗口中， 发送方会根据接收方的接受能力调整发送的速度
  • 接收方接受能力越强，处理数据就越快，缓冲区剩余空间就越多
  • 接收方接受能力越弱，处理数据就越慢，缓冲区剩余空间就越少
• 根据缓冲区剩余空间大小来衡量接收方的接收效率
  • 发送方怎么知道缓冲区剩余空间大小呢？— 根据ACK报文进行传输
    
  • 当发送方受到的ACK报文中缓冲区剩余空间为0时，就先不发数据，定期发送一个探测报文，触发接收方发送ACK，待对方的缓冲区有空间时，再发送数据。

6、拥塞控制（是滑动窗口的延伸，限制滑动窗口发送的速率）

• 拥塞控制指的是发送方和接收方中间的中间链路的处理能力
  
  因为中间链路的设备多，且不能准确知道其处理能力，所以需要通过不断的实验（不断调整发送速度）测得一个最适合的发送速度。
  
• 每次出现丢包后，会根据网络的拥堵情况更新阈值， 最理想的发送窗口应该位于 阈值 和 丢包 之间
  

7、延时应答（流量控制的延伸，尽量使接收缓冲区剩余空间更大）

• 每次往里面注水时，都会询问出水方 当前水池剩余空间大小，出水方会返回一个空间大小给注水方。
• 延时应答就是出水方不立即返回，而是等一段时间（ 延时应答时间），在该时间内，出水方又能多放出一些水，所以回复的剩余空间大小可以更大
• 在有限的情况下，又尽可能提高了一点速度

8、捎带应答（延时应答的延伸）

• 因为 延时应答的存在，ACK的回复会更慢，所以当和响应同时发送时，就能合并为一次发送，提高了传输的效率
  

9、粘包问题（面向字节流）

• 粘包问题指的是：应用层数据包 在 TCP接收缓冲区中，数据包混合在一起，分不出来谁是一个完整的数据包（数据包会在到达接收方后进行分用，将tcp报头去掉，将里面的数据取出来，放入接收缓冲区）
• 假设数据在分用后不做任何处理，直接放入缓冲区，那么取的时候就不知道谁是谁了
  
• 解决方案：在应用层协议中加入包与包之间的边界（例如包与包之间加入;）
  

10、异常处理

1. 进程终止（突然结束进程）
   TCP连接是通过socket来建立的，socket本质上是一个文件，当直接结束进程，文件将自动关闭（相当于自动调用socket.close() ，触发四次挥手）
2. 机器关机（正常正常流程关机）
   在关机前，会让操作系统杀死先所有的进程，本质和情况1一样
3. 机器掉电、掉网
   • 如果是接收方断电：
     
   • 如果是发送方断电：
     

二、UDP协议

UDP协议报文的构成如下：

• 可以看到，因为UDP报文长度为2个字节（64k），所以UDP数据报单次最多只能传输64k的数据，这也是UDP使用过程中一个致命缺陷。

  当需要传输比较大的数据时，需要在应用层进行分包（将数
  据拆成多个部分），分别发送。
  

• 校验和（校验接收方收到的数据是否出错）

  1. 基于个数校验
  2. 基于数据内容校验

• UDP传输的特点

  1. 无连接（发送方与接收方不需要建立连接）
  2. 不可靠（发送方不知道接收方是否收到数据）
  3. 面向数据报（单次运输的单位是一个数据报）
  4. 大小受限（64k）
  5. 全双工（发送方和接收方可以同时传输数据）