Netty 基础学习（一）TCP模型详解

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网络的基本结构

一 TCP协议详解

TCP（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协议，常用于互联网协议套件中的应用层协议（例如 HTTP、FTP 等）。
TCP 协议采用了分层的设计，分别包括应用层、传输层、网络层和数据链路层。其中，TCP 协议属于传输层协议。
TCP 协议主要包括以下几个方面：

1. 面向连接：在传输数据前，TCP 协议会先建立连接，然后才进行数据传输，传输完成后再断开连接。这种方式可以保证数据传输的可靠性，但会增加一定的延迟和开销。
2. 可靠性：TCP 协议采用了各种机制来保证数据传输的可靠性，例如数据确认、超时重传、流量控制等。
3. 基于字节流：TCP 协议传输的是一个个字节流，没有消息边界，因此需要通过应用层协议来解决消息的分割和组装问题。
4. 拥塞控制：TCP 协议会根据网络状况来动态地调整数据传输的速率，防止网络拥塞和数据丢失。
5. 三次握手和四次挥手：TCP 协议建立连接时采用了三次握手的方式，断开连接时采用了四次挥手的方式，以保证数据的可靠传输和连接的正常关闭。
6. TCP 标志位：TCP 协议中有一些标志位，用于控制数据传输的行为，例如 SYN、ACK、FIN 等。

功能

1. 对应用层报文进行分段和重组；
2. 面向应用层实现复用与分解；
3. 实现端到端的流量控制；
4. 拥塞控制；
5. 传输层寻址；
6. 对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）；
7. 实现进程间的端到端可靠数据传输控制。

特点

• TCP是面向连接的协议；
• TCP是面向字节流的协议；
• TCP的一个连接有两端，即点对点通信；
• TCP提供可靠的传输服务；
• TCP协议提供全双工通信（每条TCP连接只能一对一）；

1.1 TCP 报文结构

最大报文段长度：报文段中封装的应用层数据的最大长度。

1. 源端口号（16 位）：指发送端口号。
2. 目的端口号（16 位）：指接收端口号。
3. 序列号（32 位）：指发送的第一个字节的序列号。用于排序和重组收到的数据。
4. 确认号（32 位）：指期望收到的下一个字节的序列号。用于确认已经成功接收到的数据。
5. 数据偏移（4 位）：指 TCP 报文头部的长度，以 4 字节为单位。最大长度为 15，因此 TCP 报文头部的最大长度为 60 字节。
6. 保留位（6 位）：预留，必须为 0。
7. 控制位（6 位）：用于控制 TCP 协议的行为，包括 SYN、ACK、FIN、RST、URG、PSH 等标志。
8. 窗口大小（16 位）：指接收方可用于缓存数据的字节数，用于流量控制。
9. 校验和（16 位）：用于校验 TCP 报文的完整性。
10. 紧急指针（16 位）：用于指示紧急数据的位置，仅在 URG 控制位被设置时有效。
11. 选项（可变长度）：可选的 TCP 报文选项，包括最大报文长度、时间戳等。

我们来个案例来理解一下：

Source Port: 1234 (0x04D2)
Destination Port: 80 (0x0050)
Sequence Number: 2486259810 (0x9443FB7A)
Acknowledgment Number: 1450201933 (0x567B5D5D)
Data Offset: 5 (0x50)
Flags: 0x18 (PSH, ACK)
Window Size: 65535 (0xFFFF)
Checksum: 0x836A
Urgent Pointer: 0

Data:
POST /login HTTP/1.1
Host: example.com
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Content-Length: 23
username=johndoe&password=secret

• 源端口号：1234
• 目的端口号：80
• 序列号：2486259810
• 确认号：1450201933
• 数据偏移：5
• 控制位：PSH, ACK (表示推送数据，并确认已经收到的数据)
• 窗口大小：65535
• 校验和：0x836A
• 紧急指针：0

报文数据部分包括一个 HTTP POST 请求，用于向 example.com 发送登录信息，这个请求包括 HTTP 头部和表单数据。
TCP首部

• 序号字段：TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号
• 确认序号字段：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。用ack_seq标识；
• TCP段的首部长度最短是20B ，最长为60字节。但是长度必须为4B的整数倍

TCP标记

1.2 TCP的可靠性

1. 序列号和确认应答机制：TCP 在传输数据时，使用序列号和确认应答机制来保证数据的可靠传输。发送方将每个数据段标记一个唯一的序列号，接收方通过发送确认应答来表示已经成功接收到该数据段。如果发送方没有收到确认应答，则会重新发送数据段，直到接收方成功接收为止。
2. 超时重传机制：为了保证数据能够及时传输，TCP 协议还采用了超时重传机制。发送方在发送数据时会设置一个定时器，如果在规定的时间内没有收到接收方的确认应答，则会重新发送该数据段。
3. 流量控制机制：为了防止发送方发送过多的数据导致接收方无法处理，TCP 还采用了流量控制机制。接收方会在每个确认应答中通知发送方自己当前可以接收的数据量，从而控制发送方的发送速度。
4. 拥塞控制机制：TCP 还采用了拥塞控制机制，用于避免网络拥塞导致数据丢失和延迟。拥塞控制机制根据网络的拥塞程度动态调整发送方的发送速度，从而保证网络的稳定性和数据的可靠传输。

1.2.1 序列号与确认应答

• TCP 报文段中包含了序列号和确认应答号字段。TCP 使用序列号对发送的每个字节进行编号，从而将字节流转换成一个连续的数据流。同时，TCP 还使用确认应答机制来保证数据的可靠传输。接收方会在每个确认应答中发送确认应答号，表示已经成功接收到该数据段中的数据。
• 通过序列号和确认应答机制，TCP 可以保证数据在传输过程中的可靠性。发送方将每个数据段标记一个唯一的序列号，接收方通过发送确认应答来表示已经成功接收到该数据段。如果发送方没有收到确认应答，则会重新发送数据段，直到接收方成功接收为止。

1.2.2 超时重传机制

TCP 协议还采用了超时重传机制。发送方在发送数据时会设置一个定时器，如果在规定的时间内没有收到接收方的确认应答，则会重新发送该数据段。通过超时重传机制，TCP 可以保证即使在网络出现问题的情况下，数据仍能够被可靠地传输。

1.2.3 流量控制机制

• 为了防止发送方发送过多的数据导致接收方无法处理，TCP 还采用了流量控制机制。接收方会在每个确认应答中通知发送方自己当前可以接收的数据量，从而控制发送方的发送速度。
• TCP 流量控制机制的核心在于接收方向发送方发送窗口大小信息，该信息表示接收方当前还可以接收多少字节的数据。发送方会根据接收方返回的窗口大小来调整发送速度，从而避免发送方发送过多的数据导致网络拥塞和数据丢失。

1.2.4 拥塞控制机制

• TCP 协议还采用了拥塞控制机制，用于避免网络拥塞导致数据丢失和延迟。拥塞控制机制根据网络的拥塞程度动态调整发送方的发送速度，从而保证网络的稳定性和数据的可靠传输。
• TCP 拥塞控制机制的核心在于采用了四种算法：慢启动、拥塞避免、快速恢复和快速重传。其中，慢启动算法用于初始建立连接时，将发送方的发送速度逐渐加速，拥塞避免算法用于控制发送方的发送速度，当网络拥塞时，TCP 会自动将发送速度降低，快速恢复算法用于快速恢复拥塞窗口的大小，从而加速数据传输，快速重传算法用于快速重传丢失的数据包，避免等待超时重传导致的网络拥塞。

1.3 TCP的三次握手

面试题：为啥需要三次握手？

1. 第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发；
2. 第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收；
3. 第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收。

1.3.1 建立连接

• 第一次：客户向服务器发送连接请求段，建立连接请求控制段（SYN=1），表示传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x，此序列号代表整个报文段的序号（seq=x）；客户端进入 SYN_SEND （同步发送状态）；
• 第二次：服务器发回确认报文段，同意建立新连接的确认段（SYN=1），确认序号字段有效（ACK=1），服务器告诉客户端报文段序号是y（seq=y），表示服务器已经收到客户端序号为x的报文段，准备接受客户端序列号为x+1的报文段（ack_seq=x+1）；服务器由LISTEN进入SYN_RCVD （同步收到状态）;
• 第三次:客户对服务器的同一连接进行确认.确认序号字段有效(ACK=1),客户此次的报文段的序列号是x+1(seq=x+1),客户期望接受服务器序列号为y+1的报文段(ack_seq=y+1);当客户发送ack时，客户端进入ESTABLISHED 状态;当服务收到客户发送的ack后，也进入ESTABLISHED状态;第三次握手可携带数据;

TCP 三次握手是在建立 TCP 连接时必须要进行的步骤。它的过程就像两个人打招呼一样：

• 第一次握手：发送方向接收方发送一个“你好”（SYN）的信息，并告诉接收方自己的初始序列号（ISN）。
• 第二次握手：接收方收到信息后向发送方发送一个“你好，我收到了”（SYN+ACK）的信息，同时告诉发送方自己的初始序列号（ISN）和确认序列号（ACK）。
• 第三次握手：发送方再次向接收方发送一个确认信息“好的，我收到了”（ACK），表示接收方的确认信息已经收到。

通过这三次握手，发送方和接收方之间建立了一个可靠的连接，并且确认了彼此的身份和初始序列号。这样在后续的数据传输过程中，双方就可以相互确认数据是否传输成功，从而保证数据的可靠性。

1.4 TCP四次挥手

释放连接

• 第一次：客户向服务器发送释放连接报文段，发送端数据发送完毕，请求释放连接（FIN=1），传输的第一个数据字节的序号是x（seq=x）；客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1（终止等待1状态）；
• 第二次：服务器向客户发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），服务器传输的数据序号是y（seq=y），服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE_WAIT（关闭等待）； 客户端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2；
• 第三次:服务器向客户发送释放连接报文段，请求释放连接（FIN=1），确认字号段有效（ACK=1），表示服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;表示自己传输的第一个字节序号是y+1（seq=y+1）；服务器状态由CLOSE_WAIT 进入 LAST_ACK （最后确认状态）；
• 第四次：客户向服务器发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），表示客户传输的数据序号是x+1（seq=x+1），表示客户期望接收服务器数据序号为y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客户端状态由FIN_WAIT_2进入TIME_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态；服务器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK进入CLOSED；

TCP 四次挥手是在关闭 TCP 连接时必须要进行的步骤。它的过程就像两个人告别一样：

• 第一次挥手：发送方向接收方发送一个“我要关闭连接了”（FIN）的信息，表示数据发送完毕，但是还可以接收数据。
• 第二次挥手：接收方收到信息后向发送方发送一个“好的，我知道了”（ACK）的确认信息。
• 第三次挥手：接收方向发送方发送一个“我也要关闭连接了”（FIN）的信息，表示自己也没有数据要发送了。
• 第四次挥手：发送方收到信息后向接收方发送一个“好的，我知道了”（ACK）的确认信息，表示自己也知道对方已经关闭了连接。

通过这四次挥手，双方分别关闭了自己的发送和接收通道，并确认对方的关闭请求，最终彻底关闭了 TCP 连接。这样可以避免数据的丢失和重复传输，保证数据的完整性和可靠性。

为什么需要等待2MSL?

• 最后一个报文没有确认；
• 确保发送方的ACK可以到达接收方；
• 2MSL时间内没有收到，则接收方会重发；
• 确保当前连接的所有报文都已经过期。