【计算机网络】TCP协议详解

1. TCP协议头部格式

• 源/目的端口：表示数据从哪个进程发送，发送到哪个进程去
• 32位序号：发送的数据按照一个字节一个编号存放进去
• 32位确认号：用于给对方的响应，值为收到TCP报文段的序号值加1
• 4位TCP报头长度：表示TCP头部有4个字节（32位），所以TCP头部最大长度为15*4=60
• 6个boolean值标志位：

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，把携带RST标识的称为复位报文段
SYN：请求建立连接，把携带SYN标识的称为同步报文段
FIN：通知对方，要关闭连接了，把携带FIN标识的称为结束报文

• 16位窗口大小：进行流量窗口控制
• 16位校验和：检验数据是否一致
• 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据

2. TCP协议原理

TCP协议是对数据传输提供的一个管控机制，主要体现在可靠和效率两个方面，即在保证数据可靠传输的情况下尽可能的提高效率

2.1 可靠传输机制

2.1.1 确认应答机制

向对方发送一个数据报，对方要返回一个确认应答的数据报

实现的方式：

说明：

• 发送的数据是基于TCP报头中的“32位序号”来保存的，一个字节对应一个序号
• 确认应答的数据是基于TCP报头中的“32位确认序号”来保存的，ack（确认信息）标志位置为1，返回某个序列号，说明某个序列号之前的数据全部接收到
• 有了确认应答，它才可以继续发送后边的数据

2.1.2 超时重传机制

发送的数据报可能因为网络拥堵等原因，超过一定时间，还没有收到确认应答的数据报，就需要重新发送

• 没有收到确认应答，可能是因为发送数据时候就已经发生了丢包

• 也可能是因为ACK丢包了

这种情况，主机B可能会接收到许多重复的数据，基于TCP协议报头中的“32位序号”可以识别到哪些包是重复的包，并把重复的包丢掉，达到去重的效果

超时时间如何确定？

如果超时时间设置的太长，会导致重传的效率
如果超时时间设置的太短，会导致频繁发送重复的数据

因此TCP协议为了保证在任何环境中都能有较高性能的通信，系统会动态的计算这个超时时间

• 超时以500ms为一个单位，每次判定超时重发的时间都是500ms的整数倍
• 重发一次，仍然不能收到应答，等待2*500ms后再进行重传
• 仍然等不到应答，等待4*500ms进行重传，以此类推，以指数形式增长
• 累积到一定重传次数，TCP协议认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接

2.1.3 连接管理机制（三次握手，四次挥手）

真正发送数据之前，要先通过三次握手建立连接，不需要发送数据了，通过四次挥手断开连接

三次握手

1. 客户端向服务端发送SYN，申请建立客户端到服务端的连接
2. 服务端返回ACK（第一次SYN的应答）和SYN，申请建立服务端到客户端的连接
3. 客户端收到数据，状态置为ESTABLISHED，表示客户端到服务端连接建立完成，并且发送ACK（第二次SYN的应答），服务端收到数据，状态置为ESTABLISHED，表示服务端到客户端的连接建立完成

四次挥手

说明：关闭的时候服务端申请关闭或者客户端申请关闭都可以

1. 客户端发送FIN到服务端，申请关闭客户端到服务端的连接
2. 服务端收到FIN状态置为CLOSE_WAIT，并返回ACK应答（这个动作是系统实现TCP协议栈默认执行的，不需要程序来调用代码）
3. 服务端发送FIN到客户端，申请关闭服务端到客户端的连接（程序手动调用socket.close发送）
4. 客户端收到FIN返回ACK应答，并进入TIME_WAIT时间等待状态，客户端等待一段时间后，状态置为CLOSED，服务端收到应答后，状态置为CLOSED

思考：

• 为什么服务端不将ACK和FIN合并一起发送，形成三次挥手呢？

答：因为服务端状态置为CLOSED_WAIT说明服务端准备关闭连接，但是服务端可能还在继续发送数据，得处理完之前的数据，还可以执行一些关闭连接前的工作，如消耗资源等 ，所以是先给客户端发送应答，再处理完数据再向客户端发送FIN申请关闭连接

• 为什么客户端要等待一段时间状态才置为CLOSED，而不之间将状态置为CLOSED？

答：如果客户端给服务端的ACK丢包后，服务端得重新给和客户端发送FIN，此时客户端得给服务端应答，所以此时状态不能置为CLOSED，得等待一段时间确保服务端收到客户端的应答

2.1.4 流量控制

接收端主机处理数据的速度有限，如果发送端发送数据太快，导致接收端缓冲区被填满，这时，发送端继续发送数据的话就会造成丢包，继而引起丢包重传等一些列连锁反应，因此TCP协议根据接收端接收数据的能力，来决定发送端发送数据的速度，这个机制就叫作流量控制

• 接收端将自己剩余缓冲区大小存入TCP头部中的“16位窗口大小”字段 ，通过ACK通知发送端
• 窗口大小越大，说明网络吞吐量越高
• 发送端根据接收到这个窗口的大小，控制自己的发送速度
• 如果接收缓冲区满了，就会将窗口设置为0，这时，发送端不在发送数据，而是定期的发送一个窗口探测数据段，让接收端将窗口大小告诉发送端

2.1.5 拥塞控制

刚开始，发送端网络状况不明，如果贸然发送大量数据，就会造成大量丢包，所以TCP协议引入慢启动的方式，先发少量数据探探路，再决定按照多大速度发送数据

此处引入拥塞窗口，刚开始时，拥塞窗口设置为1，每收到一个ACK时，拥塞窗口加1，每次发送数据的时候，拥塞窗口和流量窗口的较小的值作为实际发送的窗口，即滑动窗口的大小

注意：上述增长方式是指数级别的，“慢启动”只是开始时慢，但是增长速度非常迅速

拥塞窗口变化的方式

为了不增长那摩快，引入一个慢启动的阈值，当拥塞窗口的大小超过了这个阈值，不在按照指数方式增长，而是按照线性方式增长，如下图所示：

开始时，慢启动的阈值为窗口的最大值
网络拥塞时，拥塞窗口置1，慢启动阈值变为拥塞窗口/2，重新开始增长

2.2 效率机制

2.2.1 滑动窗口

前面的确认应答机制指出，对每一个发送的数据都对应有一个ACK确认应答，这样采取一发一收的方式有一个很大的缺点就是效率太差，为了提高效率采用滑动窗口，即一次性发送多个数据

• 窗口大小：指无需等待而可以继续发送数据的最大值，上图的窗口大小为4000个字节（四个段）
• 具体如何设置窗口大小：min(流量窗口的大小，拥塞窗口的大小)
• 窗口如何滑动：接收到的ACK下一个是n，滑动到n-1的位置

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，只有应答过的数据才能从缓冲区中删掉

如果出现了丢包，如何确保可靠传输？

• 情况一：数据已经收到，返回的ACK应答丢包

这种情况下，部分ACK丢了不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认

• 情况二：发送数据的时候就已经丢包

说明：

• 当1001~2000这段报文丢失后，发送端一直会收到1001这样的ACK
• 如果发送端主机连续三次收到相同的ACK如1001应答，那发送端主机就会重新发送1001~2000数据
• 此时，接收端收到10012000数据后，再次返回的ACK应答就是7001了，因为20017000数据都已经接收到了，被放到接收端操作系统内核的接收缓冲区了

这种机制，即时不超时也会发生重传，称作“高速重发控制”也叫“快重传机制”

2.2.2 延迟应答

如果接收端主机接收到数据时，立刻返回ACK应答，这时候返回的流量窗口就比较小，但是流量窗口越大，网络吞吐量越大，传输效率就越高，所以等待一部分时间，待接收端处理完一部分数据 ，就可以将流量窗口设置为大一点的值，这样网咯吞吐量大，效率高

延迟是为了高吞吐量，但是也不能无限延迟

• 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

具体的数量和时间，不同操作系统有差异，一般n取2，超时时间取200ms

2.2.3 捎带应答

服务端接收到客户端的消息后，要返回一个ACK有时候可能需要返回一个响应，此时ACK可以搭载顺风车，和响应合并为一个数据返回，不用再将ACK和响应数据分开发送

3. 粘包问题

TCP是面向字节流的，可以多次的接收和发送，对于应用层来说，一连串的字节数据，不知道从哪到哪算一个完整的应用层数据包，对应发送多少次算一个应用层完整格式的数据，和接收多少次算一个应用层完整格式的数据就不知道了

如何解决粘包问题？明确包的边界

• 对于定长的包，每次都按照固定大小读取即可
• 对于变长的包，可以在包与包之间明确分隔符（应用协议，程序员自己定，只要保证分隔符和正文不起冲突即可）

4. TCP的异常情况

• 进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN。和正常关闭没有什么区别
• 机器重启：和进程终止的情况相同
• 机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了就会进行reset，即使没有写入操作，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在，如果对方不在，也会把连接释放
• 另外，应用层的某些协议，也有一些这样的检测机制，例如HTTP长连接中，也会定期检测对方的状态，例如QQ，在QQ断线之后，也会定期尝试重新连接

5. TCP协议特点总结

• 有连接：通过三次握手建立连接后才可接发数据，TCP协议是全双工的，即每端既可以发也可以收
• 可靠传输：网络数据传输是一跳一跳的，经过路途中的设备可能发生数据丢失，可靠传输是可能发生数据丢失但有机制保证对方能接收到
• 面向字节流：可以多次的收发数据（连接没有关闭时，可以多次的接收和发送数据）
• 有接收缓冲区和发送缓冲区：发送数据时，是先写到发送缓冲区，再刷新缓冲区（flush）
• 大小不受限制：多次的收发数据，每次的数据可以很大

6. 基于TCP的应用层协议

• HTTP
• HTTPS
• SSH
• Telnet
• FTP
• SMTP

也包括自己写TCP程序时自定义的应用层协议