tcp详解(tcp详解卷一和自顶向下哪个好点)

TCP/IP是“transmission Control Protocol/Internet Protocol”的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议， TCP/IP（传输控制协议/网间协议）是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。TCP/IP是INTERNET的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中，可以形象地理解为有两个信封，TCP和IP就像是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封，发送上网。在接受端，一个TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP在INTERNET中几乎可以无差错地传送数据。 对普通用户来说，并不需要了解网络协议的整个结构，仅需了解IP的地址格式，即可与世界各地进行网络通信。 WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的英文缩写。 它像红外线、蓝牙、GPRS、CDMA1X等协议一样，是无线传输协议的一种，只不过跟它们不同的是它是无线局域网（WLAN）中的一种传输协议而已，它与现行的802.11B传输协议比较相近。

考虑最简单的情况：两台主机之间的通信。这个时候只需要一条网线把两者连起来，规定好彼此的硬件接口，如都用 USB、电压 10v、频率 2.4GHz 等，这一层就是物理层，这些规定就是物理层协议。我们当然不满足于只有两台电脑连接，因此我们可以使用交换机把多个电脑连接起来，如下图：这样连接起来的网络，称为局域网，也可以称为以太网（以太网是局域网的一种）。在这个网络中，我们需要标识每个机器，这样才可以指定要和哪个机器通信。这个标识就是硬件地址 MAC。硬件地址随机器的生产就被确定，永久性唯一。在局域网中，我们需要和另外的机器通信时，只需要知道他的硬件地址，交换机就会把我们的消息发送到对应的机器。这里我们可以不管底层的网线接口如何发送，把物理层抽离，在他之上创建一个新的层次，这就是数据链路层。我们依然不满足于局域网的规模，需要把所有的局域网联系起来，这个时候就需要用到路由器来连接两个局域网：但是如果我们还是使用硬件地址来作为通信对象的唯一标识，那么当网络规模越来越大，需要记住所有机器的硬件地址是不现实的；同时，一个网络对象可能会频繁更换设备，这个时候硬件地址表维护起来更加复杂。这里使用了一个新的地址来标记一个网络对象：IP 地址。通过一个简单的寄信例子来理解 IP 地址。我住在北京市，我朋友 A 住在上海市，我要给朋友 A 写信：因此，这里 IP 地址就是一个网络接入地址（朋友 A 的住址），我只需要知道目标 IP 地址，路由器就可以把消息给我带到。在局域网中，就可以动态维护一个 MAC 地址与 IP 地址的映射关系，根据目的 IP 地址就可以寻找到机器的 MAC 地址进行发送。这样我们不需管理底层如何去选择机器，我们只需要知道 IP 地址，就可以和我们的目标进行通信。这一层就是网络层。网络层的核心作用就是提供主机之间的逻辑通信。这样，在网络中的所有主机，在逻辑上都连接起来了，上层只需要提供目标 IP 地址和数据，网络层就可以把消息发送到对应的主机。一个主机有多个进程，进程之间进行不同的网络通信，如边和朋友开黑边和女朋友聊微信。我的手机同时和两个不同机器进行通信。那么当我的手机收到数据时，如何区分是微信的数据，还是王者的数据？那么就必须在网络层之上再添加一层：运输层：运输层通过 socket（套接字），将网络信息进行进一步的拆分，不同的应用进程可以独立进行网络请求，互不干扰。这就是运输层的最本质特点：提供进程之间的逻辑通信。这里的进程可以是主机之间，也可以是同个主机，所以在 android 中，socket 通信也是进程通信的一种方式。现在不同的机器上的应用进程之间可以独立通信了，那么我们就可以在计算机网络上开发出形形式式的应用：如 web 网页的 http，文件传输 ftp 等等。这一层称为应用层。应用层还可以进一步拆分出表示层、会话层，但他们的本质特点都没有改变：完成具体的业务需求。和下面的四层相比，他们并不是必须的，可以归属到应用层中。最后对计网分层进行小结：这里需要注意的是，分层并不是在物理上的分层，而是逻辑上的分层。通过对底层逻辑的封装，使得上层的开发可以直接依赖底层的功能而无需理会具体的实现，简便了开发。这种分层的思路，也就是责任链设计模式，通过层层封装，把不同的职责独立起来，更加方便开发、维护等等。TCP 并不是把应用层传输过来的数据直接加上首部然后发送给目标，而是把数据看成一个字节 流，给他们标上序号之后分部分发送。这就是 TCP 的面向字节流特性：面向字节流的好处是无需一次存储过大的数据占用太多内存，坏处是无法知道这些字节代表的意义，例如应用层发送一个音频文件和一个文本文件，对于 TCP 来说就是一串字节流，没有意义可言，这会导致粘包以及拆包问题，后面讲。前面讲到，TCP 是可靠传输协议，也就是，一个数据交给他，他肯定可以完整无误地发送到目标地址，除非网络炸了。他实现的网络模型如下：对于应用层来说，他就是一个可靠传输的底层支持服务；而运输层底层采用了网络层的不可靠传输。虽然在网络层甚至数据链路层就可以使用协议来保证数据传输的可靠性，但这样网络的设计会更加复杂、效率会随之降低。把数据传输的可靠性保证放在运输层，会更加合适。可靠传输原理的重点总结一下有：滑动窗口、超时重传、累积确认、选择确认、连续 ARQ。停止等待协议要实现可靠传输，最简便的方法就是：我发送一个数据包给你，然后你跟我回复收到，我继续发送下一个数据包。传输模型如下：这种“一来一去”的方法来保证传输可靠就是停止等待协议（stop-and-wait）。不知道还记不记得前面 TCP 首部有一个 ack 字段，当他设置为 1 的时候，表示这个报文是一个确认收到报文。然后再来考虑另一种情况：丢包。网络环境不可靠，导致每一次发送的数据包可能会丢失，如果机器 A 发送了数据包丢失了，那么机器 B 永远接收不到数据，机器 A 永远在等待。解决这个问题的方法是：超时重传。当机器 A 发出一个数据包时便开始计时，时间到还没收到确认回复，就可以认为是发生了丢包，便再次发送，也就是重传。但重传会导致另一种问题：如果原先的数据包并没有丢失，只是在网络中待的时间比较久，这个时候机器 B 会受到两个数据包，那么机器 B 是如何辨别这两个数据包是属于同一份数据还是不同的数据？这就需要前面讲过的方法：给数据字节进行编号。这样接收方就可以根据数据的字节编号，得出这些数据是接下来的数据，还是重传的数据。在 TCP 首部有两个字段：序号和确认号，他们表示发送方数据第一个字节的编号，和接收方期待的下一份数据的第一个字节的编号。停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。假定AB之间有一条直通的信道来传送分组这里的TD是A发送分组所需要的时间（显然TD = 分组长度 / 数据速率）再假定TA是B发送确认分组所需要的时间（A和B处理分组的时间都忽略不计）那么A在经过TD+RTT+TA时间后才能发送下一个分组，这里的RTT是往返时间，因为只有TD是采用来传输有用的数据（这个数据包括了分组首部，如果可以知道传输更精确的数据的时间，可以计算的更精确），所有信道利用率为为了提高传输效率，发送方可以不使用低效率的停止等待协议，而是采用流水线传输：就是发送方可以连续的发送多个分组，不必每发完一个分组就停下来等待对方的确认。这样可使信道上一直有数据不间断地在传送。显然这种传输方式可以获得很高的信道利用率停止等待协议已经可以满足可靠传输了，但有一个致命缺点：效率太低。发送方发送一个数据包之后便进入等待，这个期间并没有干任何事，浪费了资源。解决的方法是：连续发送数据包。也就是下面介绍的连续ARQ协议和滑动窗口协议连续 ARQ 协议模型如下：和停止等待最大的不同就是，他会源源不断地发送，接收方源源不断收到数据之后，逐一进行确认回复。这样便极大地提高了效率。但同样，带来了一些额外的问题:发送是否可以无限发送直到把缓冲区所有数据发送完？不可以。因为需要考虑接收方缓冲区以及读取数据的能力。如果发送太快导致接收方无法接受，那么只是会频繁进行重传，浪费了网络资源。所以发送方发送数据的范围，需要考虑到接收方缓冲区的情况。这就是 TCP 的流量控制。解决方法是：滑动窗口。基本模型如下：在 TCP 的首部有一个窗口大小字段，他表示接收方的剩余缓冲区大小，让发送方可以调整自己的发送窗口大小。通过滑动窗口，就可以实现 TCP 的流量控制，不至于发送太快，导致太多的数据丢失。连续 ARQ 带来的第二个问题是：网络中充斥着和发送数据包一样数据量的确认回复报文，因为每一个发送数据包，必须得有一个确认回复。提高网络效率的方法是：累积确认。接收方不需要逐个进行回复，而是累积到一定量的数据包之后，告诉发送方，在此数据包之前的数据全都收到。例如，收到 1234，接收方只需要告诉发送方我收到 4 了，那么发送方就知道 1234 都收到了。第三个问题是：如何处理丢包情况。在停止等待协议中很简单，直接一个超时重传就解决了。但，连续 ARQ 中不太一样。例如：接收方收到了 123 567，六个字节，编号为 4 的字节丢失了。按照累积确认的思路，只能发送 3 的确认回复，567 都必须丢掉，因为发送方会进行重传。这就是GBN（go-back-n)思路。但是我们会发现，只需要重传 4 即可，这样不是很浪费资源，所以就有了：选择确认 SACK。在 TCP 报文的选项字段，可以设置已经收到的报文段，每一个报文段需要两个边界来进行确定。这样发送方，就可以根据这个选项字段只重传丢失的数据了。第四个问题是：拥塞控制的问题也是通过窗口的大小来控制的，但是检测网络满不满是个挺难的事情，所以 TCP 发送包经常被比喻成往谁管理灌水，所以拥塞控制就是在不堵塞，不丢包的情况下尽可能的发挥带宽。水管有粗细，网络有带宽，即每秒钟能发送多少数据；水管有长度，端到端有时延。理想状态下，水管里面的水 = 水管粗细 * 水管长度。对于网络上，通道的容量 = 带宽 * 往返时延。如果我们设置发送窗口，使得发送但未确认的包为通道的容量，就能撑满整个管道。如图所示，假设往返时间为 8 秒，去 4 秒，回 4 秒，每秒发送一个包，已经过去了 8 秒，则 8 个包都发出去了，其中前四个已经到达接收端，但是 ACK 还没返回，不能算发送成功，5-8 后四个包还在路上，还没被接收，这个时候，管道正好撑满，在发送端，已发送未确认的 8 个包，正好等于带宽，也即每秒发送一个包，也即每秒发送一个包，乘以来回时间 8 秒。如果在这个基础上调大窗口，使得单位时间可以发送更多的包，那么会出现接收端处理不过来，多出来的包会被丢弃，这个时候，我们可以增加一个缓存，但是缓存里面的包 4 秒内肯定达不到接收端课，它的缺点会增加时延，如果时延达到一定程度就会超时重传TCP 拥塞控制主要来避免两种现象，包丢失和超时重传，一旦出现了这些现象说明发送的太快了，要慢一点。具体的方法就是发送端慢启动，比如倒水，刚开始倒的很慢，渐渐变快。然后设置一个阈值，当超过这个值的时候就要慢下来慢下来还是在增长，这时候就可能水满则溢，出现拥塞，需要降低倒水的速度，等水慢慢渗下去。拥塞的一种表现是丢包，需要超时重传，这个时候，采用快速重传算法，将当前速度变为一半。所以速度还是在比较高的值，也没有一夜回到解放前。到这里关于 TCP 的可靠传输原理就已经介绍得差不多。最后进行一个小结：当然，这只是可靠传输的冰山一角，感兴趣可以再深入去研究

TCP协议是在TCP/IP协议模型中的运输层中很重要的一个协议、负责处理主机端口层面之间的数据传输。主要有以下特点：1.TCP是面向链接的协议，在数据传输之前需要通过三次握手建立TCP链接，当数据传递完成之后，需要通过四次挥手进行连接释放。2.每一条TCP通信都是两台主机和主机之间的，是点对点传输的协议。3.TCP提供可靠的、无差错、不丢失、不重复，按序到达的服务。4.TCP的通信双方在连接建立的任何时候都可以发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。5.面向字节流。在数据传输的过程中如果报文比较长的话TCP会进行数据分段传输，每一条分段的TCP传输信息都带有分段的序号，每一段都包含一部分字节流。接收方根据每段携带的的序号信息进行数据拼接，最终拼接出来初始的传输数据。但是在整个传输的过程中每一段TCP携带的都是被切割的字节流数据。所以说TCP是面向字节流的。a.TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。TCP并不关心应用程序一次把多长的报文发送到TCP缓存中，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节（UDP发送的报文长度是应用程序给出的）。b.如果应用程序传送到TCP缓存的数据块太大，TCP就可以把它划分短一些再传。TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构建成报文段发送出去。各字段含义：源端口：发送端的端口号目的端口：接收端的端口号序号：TCP将发送报文分段传输的时候会给每一段加上序号，接收端也可以根据这个序号来判断数据拼接的顺序，主要用来解决网络报乱序的问题确认号：确认号为接收端收到数据之后进行排序确认以及发送下一次期待接收到的序号，数值 = 接收到的发送号 + 1数据偏移：占4比特，表示数据开始的地方离TCP段的起始处有多远。实际上就是TCP段首部的长度。由于首部长度不固定，因此数据偏移字段是必要的。数据偏移以32位为长度单位，因此TCP首部的最大长度是60（15*4）个字节。控制位：URG：此标志表示TCP包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并且督促 中间层设备要尽快处理这些数据;ACK：此标志表示应答域有效，就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中;有两个取值：0和1， 为1的时候表示应答域有效，反之为0;PSH：这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序， 而不是在缓冲区中排队;RST：这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包;SYN：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1， ACK=0;连接被响应的时候，SYN=1，ACK=1;这个标志的数据包经常被用来进行端口扫描。扫描者发送 一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来 ，就表明这台主机存在这个端口;但是由于这 种扫描方式只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表示被扫描的机器不很安全，一台安全 的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手;FIN： 表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方的数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN标志 位的TCP数据包后，连接将被断开。这个标志的数据包也经常被用于进行端口扫描。窗口：TCP里很重要的一个机制，占2字节，表示报文段发送方期望接收的字节数，可接收的序号范围是从接收方的确认号开始到确认号加上窗口大小之间的数据。后面会有实例讲解。校验和：校验和包含了伪首部、TCP首部和数据，校验和是TCP强制要求的，由发送方计算，接收方验证紧急指针：URG标志为1时，紧急指针有效，表示数据需要优先处理。紧急指针指出在TCP段中的紧急数据的最后一个字节的序号，使接收方可以知道紧急数据共有多长。选项：最常用的选项是最大段大小（Maximum Segment Size，MSS），向对方通知本机可以接收的最大TCP段长度。MSS选项只在建立连接的请求中发送。放在以太网帧里看TCP的位置TCP 数据包在 IP 数据包的负载里面。它的头信息最少也需要20字节，因此 TCP 数据包的最大负载是 1480 - 20 = 1460 字节。由于 IP 和 TCP 协议往往有额外的头信息，所以 TCP 负载实际为1400字节左右。因此，一条1500字节的信息需要两个 TCP 数据包。HTTP/2 协议的一大改进， 就是压缩 HTTP 协议的头信息，使得一个 HTTP 请求可以放在一个 TCP 数据包里面，而不是分成多个，这样就提高了速度。以太网数据包的负载是1500字节，TCP 数据包的负载在1400字节左右一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包。比如，一个 10MB 的文件，需要发送7100多个包。发送的时候，TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包。第一个包的编号是一个随机数。为了便于理解，这里就把它称为1号包。假定这个包的负载长度是100字节，那么可以推算出下一个包的编号应该是101。这就是说，每个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号。接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件。收到 TCP 数据包以后，组装还原是操作系统完成的。应用程序不会直接处理 TCP 数据包。对于应用程序来说，不用关心数据通信的细节。除非线路异常，否则收到的总是完整的数据。应用程序需要的数据放在 TCP 数据包里面，有自己的格式（比如 HTTP 协议）。TCP 并没有提供任何机制，表示原始文件的大小，这由应用层的协议来规定。比如，HTTP 协议就有一个头信息Content-Length，表示信息体的大小。对于操作系统来说，就是持续地接收 TCP 数据包，将它们按照顺序组装好，一个包都不少。操作系统不会去处理 TCP 数据包里面的数据。一旦组装好 TCP 数据包，就把它们转交给应用程序。TCP 数据包里面有一个端口（port）参数，就是用来指定转交给监听该端口的应用程序。应用程序收到组装好的原始数据，以浏览器为例，就会根据 HTTP 协议的Content-Length字段正确读出一段段的数据。这也意味着，一次 TCP 通信可以包括多个 HTTP 通信。服务器发送数据包，当然越快越好，最好一次性全发出去。但是，发得太快，就有可能丢包。带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。最理想的状态是，在线路允许的情况下，达到最高速率。但是我们怎么知道，对方线路的理想速率是多少呢？答案就是慢慢试。TCP 协议为了做到效率与可靠性的统一，设计了一个慢启动（slow start）机制。开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率：如果不丢包，就加快发送速度；如果丢包，就降低发送速度。Linux 内核里面 设定 了（常量TCP_INIT_CWND），刚开始通信的时候，发送方一次性发送10个数据包，即"发送窗口"的大小为10。然后停下来，等待接收方的确认，再继续发送。默认情况下，接收方每收到 两个TCP 数据包，就要 发送 一个确认消息。"确认"的英语是 acknowledgement，所以这个确认消息就简称 ACK。ACK 携带两个信息。发送方有了这两个信息，再加上自己已经发出的数据包的最新编号，就会推测出接收方大概的接收速度，从而降低或增加发送速率。这被称为"发送窗口"，这个窗口的大小是可变的。注意，由于 TCP 通信是双向的，所以双方都需要发送 ACK。两方的窗口大小，很可能是不一样的。而且 ACK 只是很简单的几个字段，通常与数据合并在一个数据包里面发送。即使对于带宽很大、线路很好的连接，TCP 也总是从10个数据包开始慢慢试，过了一段时间以后，才达到最高的传输速率。这就是 TCP 的慢启动。TCP 协议可以保证数据通信的完整性，这是怎么做到的？前面说过，每一个数据包都带有下一个数据包的编号。如果下一个数据包没有收到，那么 ACK 的编号就不会发生变化。举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。如果发送方发现收到 三个 连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包。通过这种机制，TCP 保证了不会有数据包丢失。TCP是一个滑动窗口协议，即一个TCP连接的发送端在某个时刻能发多少数据是由滑动窗口控制的，而滑动窗口的大小实际上是由两个窗口共同决定的，一个是接收端的通告窗口，这个窗口值在TCP协议头部信息中有，会随着数据的ACK包发送给发送端，这个值表示的是在接收端的TCP协议缓存中还有多少剩余空间，发送端必须保证发送的数据不超过这个剩余空间以免造成缓冲区溢出，这个窗口是接收端用来进行流量限制的，在传输过程中，通告窗口大小与接收端的进程取出数据的快慢有关。另一个窗口是发送端的拥塞窗口(Congestion window)，由发送端维护这个值，在协议头部信息中没有，滑动窗口的大小就是通告窗口和拥塞窗口的较小值，所以拥塞窗口也看做是发送端用来进行流量控制的窗口。滑动窗口的左边沿向右移动称为窗口合拢，发生在发送的数据被确认时（此时，表明数据已被接收端收到，不会再被需要重传，可以从发送端的发送缓存中清除了），滑动窗口的右边沿向右移动称为窗口张开，发生在接收进程从接收端协议缓存中取出数据时。随着发送端不断收到的被发送数据的ACK包，根据ACK包中的确认序号和通告窗口大小使滑动窗口得以不断的合拢和张开，形成滑动窗口的向前滑动。如果接收进程一直不取数据，则会出现0窗口现象，即滑动窗口左边沿与右边沿重合，此时窗口大小为0，就无法再发送数据。在TCP里，接收端(B)会给发送端(A)报一个窗口的大小，叫Advertised window。1.在没有收到B的确认情况下，A可以连续把窗口内的数据都发送出去。凡是已经发送过的数据，在未收到确认之前都必须暂时保留，以便在超时重传时使用。2.发送窗口里面的序号表示允许发送的序号。显然，窗口越大，发送方就可以在收到对方确认之前连续发送更多数据，因而可能获得更高的传输效率。但接收方必须来得及处理这些收到的数据。3.发送窗口后沿的后面部分表示已发送且已收到确认。这些数据显然不需要再保留了。4.发送窗口前沿的前面部分表示不允许发送的，应为接收方都没有为这部分数据保留临时存放的缓存空间。5.发送窗口后沿的变化情况有两种：不动（没有收到新的确认）和前移（收到了新的确认）6.发送窗口前沿的变化情况有两种：不断向前移或可能不动（没收到新的确认）TCP的发送方在规定时间内没有收到确认就要重传已发送的报文段。这种重传的概念很简单，但重传时间的选择确是TCP最复杂的问题之一。TCP采用了一种自适应算法，它记录一个报文段发出的时间，以及收到响应的确认的时间这两个时间之差就是报文段的往返时间RTT。TCP保留了RTT的一个加权平均往返时间。超时重传时间RTO略大于加权平均往返时间RTT：即Round Trip Time，表示从发送端到接收端的一去一回需要的时间，tcp在数据传输过程中会对RTT进行采样（即对发送的数据包及其ACK的时间差进行测量，并根据测量值更新RTT值，具体的算法TCPIP详解里面有），TCP根据得到的RTT值更新RTO值，即Retransmission TimeOut，就是重传间隔，发送端对每个发出的数据包进行计时，如果在RTO时间内没有收到所发出的数据包的对应ACK，则任务数据包丢失，将重传数据。一般RTO值都比采样得到的RTT值要大。如果收到的报文段无差错，只是未按序号，中间还缺少一些序号的数据，那么能否设法只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接收方的数据？答案是可以的，选择确认就是一种可行的处理方法。如果要使用选项确认SACK，那么在建立TCP连接时，就要在TCP首部的选项中加上“允许SACK”的选项，而双方必须都事先商定好。如果使用选择确认，那么原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。SACK文档并没有明确发送方应当怎么响应SACK.因此大多数的实现还是重传所有未被确认的数据块。一般说来，我们总是希望数据传输的更快一些，但如果发送方把数据发送的过快，接收方就可能来不及接收，这会造成数据的丢失。所谓流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收。在计算机网络中的链路容量，交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞。拥塞控制方法：1.慢开始和拥塞避免2.快重传和快恢复3.随机早期检测1.一开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态2.先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态（比如服务端启动，开始监听）。3.客户端主动发起连接SYN，之后处于SYN-SENT状态（第一次握手，发送 SYN = 1 ACK = 0 seq = x ack = 0）。4.服务端收到发起的连接，返回SYN，并且ACK客户端的SYN，之后处于SYN-RCVD状态（第二次握手，发送 SYN = 1 ACK = 1 seq = y ack = x + 1）。5.客户端收到服务端发送的SYN和ACK之后，发送ACK的ACK，之后处于ESTABLISHED状态（第三次握手，发送 SYN = 0 ACK = 1 seq = x + 1 ack = y + 1）。6.服务端收到客户端的ACK之后，处于ESTABLISHED状态。（需要注意的是，有可能X和Y是相等的，可能都是0，因为他们代表了各自发送报文段的序号。）TCP连接释放四次挥手1.当前A和B都处于ESTAB-LISHED状态。2.A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。3.B收到连接释放报文段后即发出确认，然后B进入CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时TCP连接处于半关闭状态，即A已经没有数据发送了。从B到A这个方向的连接并未关闭，这个状态可能会持续一些时间。4.A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态，等待B发出的连接释放报文端。5.若B已经没有向A发送的数据，B发出连接释放信号，这时B进入LAST-ACK(最后确认)状态等待A的确认。6.A再收到B的连接释放消息后，必须对此发出确认，然后进入TIME-WAIT（时间等待）状态。请注意，现在TCP连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器（TIME－WAIT timer）设置的时间2MSL后，A才进入CLOSED状态。7。B收到A发出的确认消息后，进入CLOSED状态。以请求百度为例，看一下三次握手真实数据的TCP连接建立过程我们再来看四次挥手。TCP断开连接时，会有四次挥手过程，标志位是FIN，我们在封包列表中找到对应位置，理论上应该找到4个数据包，但我试了好几次，实际只抓到3个数据包。查了相关资料，说是因为服务器端在给客户端传回的过程中，将两个连续发送的包进行了合并。因此下面会按照合并后的三次挥手解释，若有错误之处请指出。第一步，当主机A的应用程序通知TCP数据已经发送完毕时，TCP向主机B发送一个带有FIN附加标记的报文段（FIN表示英文finish）。第二步，主机B收到这个FIN报文段之后，并不立即用FIN报文段回复主机A，而是先向主机A发送一个确认序号ACK，同时通知自己相应的应用程序：对方要求关闭连接（先发送ACK的目的是为了防止在这段时间内，对方重传FIN报文段）。第三步，主机B的应用程序告诉TCP：我要彻底的关闭连接，TCP向主机A送一个FIN报文段。第四步，主机A收到这个FIN报文段后，向主机B发送一个ACK表示连接彻底释放。这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。原因有二：一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失先说第一点，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。再说第二点，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。硬件速度网络和服务器的负载请求和响应报文的尺寸客户端和服务器之间的距离TCP 协议的技术复杂性TCP 连接建立握手；TCP 慢启动拥塞控制；数据聚集的 Nagle 算法；用于捎带确认的 TCP 延迟确认算法；TIME_WAIT 时延和端口耗尽。介绍完毕，就这？是的，就这。补充：大部分内容为网络整理，方便自己学习回顾，参考文章：TCP 协议简介TCP协议图文详解什么是TCP协议？wireshark抓包分析——TCP/IP协议TCP协议的三次握手和四次挥手TCP协议详解TCP带宽和时延的研究(1)

title: TCP 总结date: 2018-03-25 09:40:24tags:categories:-计算机网络我们都知道 TCP 是位于传输层的协议，他还有一个兄弟就是 UDP ，他们两共同构成了传输层。显然他们之间有很大的区别要不然的话在传输层只需要一个就好了。其中最重要的区别就是一个面向连接另外一个不是，这个区别就导致了他们是否能够保证稳定传输，显然不面向连接的 UDP 是没办法保证可靠传输的，他只能靠底层的网络层和链路层来保证。我们都知道网络层采用的是不可靠的 IP 协议。好吧，网络层也保证不了可靠传输，所以 UDP 保证可靠传输只能依靠链路层了。而 TCP 就好说了他不仅仅有底层的链路层的支持，还有自己的面向链接服务来保证可靠传输。当然 TCP也不仅仅就是比 UDP 多了一个可靠传输，前面也说到了这只是他们之间一个重要的区别。其实他的三个重要特性就是它们之间的区别。* 可靠传输* 流量控制* 拥塞控制TCP 主要是 确认重传机制 数据校验 数据合理分片和排序 流量控制 拥塞控制 依靠来完成可靠传输的 , 下面详细介绍这几种保证可靠传输的方式。确认重传，简单来说就是接收方收到报文以后给发送方一个 ACK 回复，说明自己已经收到了发送方发过来的数据。如果发送方等待了一个特定的时间还没有收到接收方的 ACK 他就认为数据包丢了，接收方没有收到就会重发这个数据包。好的，上面的机制还是比较好理解的，但是我们会发现一个问题，那就是如果接收方已经收到了数据然后返回的 ACK 丢失，发送方就会误判导致重发。而此时接收方就会收到冗余的数据，但是接收方怎么能判定这个数据是冗余的还是新的数据呢？这就涉及到了 TCP 的另外一个机制就是采用序号和确认号，也就是每次发送数据的时候这个报文段里面包括了当前报文段的序号和对上面的报文的确认号，这样我们的接收方可以根据自己接受缓存中已经有的数据来确定是否接受到了重复的报文段。这时候如果出现上面所说的 ACK 丢失，导致接受重复的报文段时客户端丢弃这个冗余的报文段。好现在我们大致了解了确认重传机制，但是还有些东西还没有弄清楚，也就是 TCP 真正的实现究竟是怎样的。这就是我们要解决的第一个问题就是如何确认。这里涉及到两种确认方式，分别称为 累计确认（捎带确认）和单停等协议。用一张图来快速理解，就是每发送一次数据，就进行一次确认。等发送方收到了 ACK 才能进行下一次的发送。一样的也是采用的 ACK 机制，但是注意一点的是，并非对于每一个报文段都进行确认，而仅仅对最后一个报文段确认，捎带的确认了上图中的 203 号及以前的报文。总结：从上面可以看到累计确认的效率更加高，首先他的确认包少一些那么也就是在网络中出现的大部分是需要传输的数据，而不是一半的数据一半的 ACK ，然后我们在第二张图中可以看到我们是可以连续发送多个报文段的（究竟一次性能发多少这个取决于发送窗口，而发送窗口又是由接受窗口和拥塞窗口一起来决定的。），一次性发多个数据会提高网络的吞吐量以及效率这个可以证明，比较简单这里不再赘述！结论：显然怎么看都是后者比较有优势，TCP 的实现者自然也是采用的累计确认的方式！上文中的那个特定的时间就是超时时间，为什么有这个值呢? 其实在发送端发送的时候就为数据启动了一个定时器，这个定时器的初始值就是超时时间。超时时间的计算其实有点麻烦，主要是我们很难确定一个确定的值，太长则进行了无意义的等待，太短就会导致冗余的包。TCP 的设计者们设计了一个计算超时时间的公式，这个公式概念比较多，有一点点麻烦，不过没关系我们一点点的来。首先我们自己思考如何设计一个超时时间的计算公式，超时时间一般肯定是和数据的传输时间有关系的，他必然要大于数据的往返时间（数据在发送端接收端往返一趟所用的时间）。好，那么我们就从往返时间下手，可是又有一个问题就是往返时间并不是固定的我们有如何确定这个值呢？自然我们会想到我们可以取一小段时间的往返时间的平均值来代表这一时间点的往返时间，也就是微积分的思想！好了我们找到了往返时间（RTT），接下来的超时时间应该就是往返时间再加上一个数就能得到超时时间了。这个数也应该是动态的，我们就选定为往返时间的波动差值，也就是相邻两个往返时间的差。下面给出我们所预估的超时时间（TimeOut）公式：很好，看到这里其实你已经差不多理解了超时时间的计算方式了，只不过我们这个公式不够完善，但是思路是对的。我们这时候来看看 TCP 的实现者们采用的方式。好的，这就是 TCP 实现的超时时间的方式，但是在实际的应用中并不是一直采用的这种方式。假如说我们现在网络状态非常的差，一直在丢包我们根本没必要这样计算，而是采用直接把原来的超时时间加倍作为新的超时时间。总结：好的现在我们知道了在两种情况下的超时时间的计算方式，正常的情况下我们采用的上面的比较复杂的计算公式，也就是RTT+波动值否则直接加倍上面我们看到在发送方等待一个超时重传时间后会开始重传，但是我们计算的超时重传时间也不定就很准，也就是说我们经常干的一件事就会是等待，而且一般等的时间还挺长。那么可不可以优化一下呢？当然，在 TCP 实现中是做了优化的，也就是这里说到的快速重传机制。他的原理就是在发送方收到三个冗余的 ACK 的时候，就开始重传那个报文段。那么为什么是三个冗余的 ACK 呢？注意三个冗余的 ACK 其实是四个 ACK 。我们先了解一下发送 ACK 策略，这个是RFC 5681 文档规定的。好的，那么现在我们可以看到如果出现了三个冗余的 ACK 他只可能是发生了两次情况三，也就是发送了两个比期望值大的数据。但是注意出现情况三有两种可能，一个是丢包，另外一个是乱序到达。比如说我们现在是数据乱序到达的，我们来看一下。第一种乱序情况另外一种乱序丢包情况结论: 很显然我们可以看到，如果发生了乱序有可能会出现三次冗余 ACK，但是如果发现了丢包必然会有三次冗余 ACK 发生，只是 ACK 数量可能更多但是不会比三次少在我们发现丢包以后我们需要重传，但是我们重传的方式也有两种方式可以选择分别是GBN和SR翻译过来就是拉回重传和选择重传。好其实我们已经能从名字上面看出来他们的作用方式了，拉回重传就是哪个地方没收到那么就从那个地方及以后的数据都重新传输，这个实现起来确实很简单，就是把发送窗口和接受窗口移回去，但是同样的我们发现这个方式不实用干了很多重复的事，效率低。那么选择重传就是你想到的谁丢了，就传谁。不存在做无用功的情况。结论:TCP 实际上使用的是两者的结合，称为选择确认，也就是允许 TCP 接收方有选择的确认失序的报文段，而不是累计确认最后一个正确接受的有序报文段。也就是跳过重传那些已经正确接受的乱序报文段。数据校验，其实这个比较简单就是头部的一个校验，然后进行数据校验的时候计算一遍 checkSum 比对一下。在 UDP 中，UDP 是直接把应用层的数据往对方的端口上 “扔” ，他基本没有任何的处理。所以说他发给网络层的数据如果大于1500字节,也就是大于MTU。这个时候发送方 IP 层就需要分片。把数据报分成若干片，使每一片都小于MTU.而接收方IP层则需要进行数据报的重组。这样就会多做许多事情,而更严重的是 ，由于UDP的特性,当某一片数据传送中丢失时 ， 接收方便无法重组数据报，将导致丢弃整个UDP数据报。而在 TCP 中会按MTU合理分片，也就是在 TCP 中有一个概念叫做最大报文段长度（MSS）它规定了 TCP 的报文段的最大长度，注意这个不包括 TCP 的头，也就是他的典型值就是 1460 个字节（TCP 和 IP 的头各占用了 20 字节）。并且由于 TCP 是有序号和确认号的，接收方会缓存未按序到达的数据，根据序号重新排序报文段后再交给应用层。流量控制一般指的就是在接收方接受报文段的时候，应用层的上层程序可能在忙于做一些其他的事情，没有时间处理缓存中的数据，如果发送方在发送的时候不控制它的速度很有可能导致接受缓存溢出，导致数据丢失。相对的还有一种情况是由于两台主机之间的网络比较拥塞，如果发送方还是以一个比较快的速度发送的话就可能导致大量的丢包，这个时候也需要发送方降低发送的速度。虽然看起来上面的两种情况都是由于可能导致数据丢失而让发送主机降低发送速度，但是一定要把这两种情况分开，因为前者是属于 流量控制而后者是拥塞控制，那将是我们后面需要讨论的事情。不要把这两个概念混了。其实说到流量控制我们就不得不提一下滑动窗口协议，这个是流量控制的基础。由于 TCP 连接是一个全双工的也就是在发送的时候也是可以接受的，所以在发送端和接收端同时维持了发送窗口和接收窗口。这里为了方便讨论我们就按照单方向来讨论。接收方维持一个接受窗口，发送方一个发送窗口。发送的时候要知道接受窗口还有多少空间，也就是发送的数据量不能超过接受窗口的大小，否则就溢出了。而当我们收到一个接收方的 ACK 的时候我们就可以移动接受窗口把那些已经确认的数据滑动到窗口之外，发送窗口同理把确认的移出去。这样一直维持两个窗口大小，当接收方不能在接受数据的时候就把自己的窗口大小调整为 0 发送窗口就不会发送数据了。但是有一个问题，这个时候当接收窗口再调大的时候他不会主动通知发送方，这里采用的是发送方主动询问。还是画个图看的比较直观：拥塞控制一般都是由于网络中的主机发送的数据太多导致的拥塞，一般拥塞的都是一些负载比较高的路由，这时候为了获得更好的数据传输稳定性，我们必须采用拥塞控制，当然也为了减轻路由的负载防止崩溃。这里主要介绍两个拥塞控制的方法，一个是慢开始，另外一个称为快恢复。那么问题来了，为什么需要序号呢？为什么又是三次握手而不是两次？以及什么是 SYN 洪泛攻击？这里需要说明一下的是最后的那个长长的 TIME_WAIT 状态一般是为了客户端能够发出 ACK 一般他的值是 1分钟 或者2分钟好了，今天真的写了不少，主要就是把 TCP 的可靠传输以及连接管理讲清楚了，以及里面的一下细节问题，真的很花时间。然后其他没有涉及到的就是关于 TCP 的头并没有详细的去分析，这个东西其实也不是很难，但是现在篇幅真的已经很大就先这样，头里面的都是固定的不需要太多的理解。

即使端口处于2MSL状态，使用该选项，仍然能够在该端口建立连接。服务器常会设置该选项，以防服务器重启。如果在TIME_WAIT时间内，收到了对端发送来的数据报（不是重置报文段都行），那么该状态将被破坏，称为时间等待错误。原因是，当收到报文段以后，通常Seq是旧的，所以本端就会发送ACK，对端已经关闭或者是别的连接，就会发送RST，导致TIME_WAIT状态被破坏。但是许多系统规定，TIME_WAIT状态是不对重置报文段做出反应。两端同时发送FIN，两端又同时ACK。又同时进入TIME_WAIT当处于TIME_WAIT的主机崩溃以后，重启，然后需要等待相当与一个MSL的时间才能建立新的连接。这段时间成为静默时间。当一段发现到达的报文段对相关连接（也就是进程，套接字对）而言不正确的时候，TCP就会发送一个重置报文段，从而导致对端的连接快速拆卸（也就是结束吧！）。重置报文段的ACK位必须有，而且ACK的值必须在正确的窗口范围内，这样可以防止被攻击。FIN正常关闭一条连接成为有序释放，通常不会出现丢失数据的情况。重置报文段终止一条连接成为终止释放。重置报文段在任何时候都可以发送，代替FIN来终止连接，且不学校对端ACK终止报文段特性：当该数值设置为0，那么也意味着，不会再连接终止之前为了确保本端缓存中的数据都发送出去而等待。TCP在发送数据时会设置计时器，如果计时器超时认为受到数据确认信息，就会引发相应的超时，或给予计时器的重传操作，计时器超时时成为重传超时（RTO）。TCP累计确认无法返回新的ACK，或者当ACK包含选择确认信息（SACK）时，表明出现书序数据报，空洞。就会引起快速重传。若RTO短与RTT，那么没分都会重传，反之，整个网络利用率就会随之下降。RTT样本：TCP在收到数据后会返回确认信息ACK，该信息中携带一个字节的数据，测量传输该确认需要的时间，该测量结果成为RTT样本。每个连接的RTT军独立计算。如何根据RTT来设置RTO，有如下的方法公式： SRTT=a*SRTT+(1-a)RTT ，a取 0.8-0.9 。当TCP运行在RTT变化较大的网络中，无法取得期望的结果。以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补因为丢失ACK，或者实际RTT显著增长，可能出现伪超时的现象。以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补每个包可以选择各自的传送路径。某些高级路由器的采用多个并行数据链路，不同的处理演示也会导致包的离开顺序和到达顺序不匹配包的失序会造成重传，很近单嘛，前面一个小号的Seq没到达，后面的先到达，那么ACK就会 重复当TCP超时重发是，循序执行重新租宝，发送送一个更大的报文段提高性能，不超过MSS和MTU。出现在每次传送的包较小，又丢包的情况每个交互键通常会生成一个单独的数据报，也就是每个按键是独立传输的。ssh调用一个shell，对客户端输入的字符做出辉县，因此，每个字符生成4个tcp数据段，客户端的交互按键输入，服务器对按键的ACK，服务器生成的辉县，客户端对回显的ACK。通常第二段和第三段合并，成为捎带延时确认。PSH位设置，意味着发送端的缓存为空，也就是没什么可以发送了。许多情况下，TCP并不是对每个到来的包都单独的ACK，利用累计ACK可以确认之前的ACK。累计确认可以允许TCP延时一段时间发送ACK，以便将ACK和相同方向上需要传输的数据结合发。这种捎带传输的方法常用于批量数据传输。不能任意的延迟ACK，会造成重传。同时当失序发生时，必须立刻传送ACK。系统可以设置，一般延时为200-600毫秒。该算法要求，当TCP连接中有在传数据（那些已发送，但是未确认的数据）时，小的报文段就不能被发送，知道所有的数据都受到ACK。并且受到ACK后，TCP收集这些小的数据，整合到一个报文段中发送。这种方法破事TCP遵循等停规程，只有收到所有传送数据的ACK后才能继续发送新数据。该算法的不同之处在于他实现了自时钟控制，ACK返回越快，传输也越快。在相对高延迟的广域网中，更需要减小小报文的数目，该算法使得单位时间内发送的报文数目更少，RTT控制发包速率。该算法减少小包数目的同时，也增大了传输时延，也就是总的发送时间。窗口大小表明本端可用缓存大小，对端传送的数据不应该超过改大小。也表明对端发送的数据的最大大小为TCP头部ACK号和窗口大小字段之和。也就是Seq = ACK+MSSTCP活动的两端都维护一个发送窗口结构和接受窗口结构。TCP以字节为单位维护窗口结构。每个TCP报文段都包含ACK号和窗口通告信息，TCP发送端可以据此调节窗口结构。窗口左边界不能左移。窗口的动作分为，关闭（收到ACK，左边右移），打开（MSS扩大，右边右移），收缩（MSS减小，右边左移）当收到ACK号增大，而MSS不变时窗口向前滑动当当左边界与右边界相等时，成为零窗口，此时发送端不能在发送新的数据，这种情况下，TCP开始探测对端窗口，伺机增大窗口。当接受窗口值变为0是，可以邮箱的组织发送端继续发送，知道窗口大小回复为非0值。当接收端窗口得到可用空间是，就会给发送端传输一个窗口更新，告知器可以继续发送数据，这样的这样的窗口更新通常不包含数据，成为纯ACK，因此不能保证传输的可靠性。如果一端的窗口更新ACK丢失，通信双方就会处于等待状态。为避免这种情况发生。发送端会采用一个持续计时器间歇性的查询接收端，看其窗口是否已经增长。持续计时器会触发窗口探测的传输，强制要求对端返回ACK。窗口探测包包含一个字节数据，采用TCP传输，因此可以避免窗口更新丢失导致的死锁。因为包含一个字节数据Seq改变，接受端必须处理，如果接受就会ACK。窗口大小还是0，那么就会丢弃该报，没有响应。这时候发送端会持续的发送窗口探测包。当接收端通告窗口较小，或者发送端发送的数据较小。这样数据报的有效携带率小，耗费网络资源多。避免方法以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补以后再补