tcp有连接可靠(tcp连接过程)

[TOC] 1. TCP可靠性的保证机制总结2. 网络基础：TCP协议-如何保证传输可靠性3. TCP协议的流量控制和拥塞控制4. TCP 的那些事儿（下）5. TCP拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复TCP检验和的计算与UDP一样，在计算时要加上12byte的伪首部，检验范围包括TCP首部及数据部分，但是UDP的检验和字段为可选的，而TCP中是必须有的。计算方法为：在发送方将整个报文段分为多个16位的段，然后将所有段进行反码相加，将结果存放在检验和字段中，接收方用相同的方法进行计算，如最终结果为检验字段所有位是全1则正确（UDP中也是全为1则正确），否则存在错误。TCP将每个数据包都进行了编号，这就是序列号。序列号的作用：a、保证可靠性（当接收到的数据总少了某个序号的数据时，能马上知道）b、保证数据的按序到达c、提高效率，可实现多次发送，一次确认d、去除重复数据数据传输过程中的确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号来实现TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部中有一个标志位——ACK，此标志位表示确认号是否有效。接收方对于按序到达的数据会进行确认，当标志位ACK=1时确认首部的确认字段有效。进行确认时，确认字段值表示这个值之前的数据都已经按序到达了。而发送方如果收到了已发送的数据的确认报文，则继续传输下一部分数据；而如果等待了一定时间还没有收到确认报文就会启动重传机制。当报文发出后在一定的时间内未收到接收方的确认，发送方就会进行重传（通常是在发出报文段后设定一个闹钟，到点了还没有收到应答则进行重传）。一种情况是发送包丢失了，其基本过程如下：另一种情况是ACK 丢失，过程如下：当接收方接收到重复的数据时就将其丢掉，重新发送ACK。而要识别出重复的数据，前面提到的序列号就起作用了。重传时间的确定：重传时间的确定：报文段发出到收到应答中间有一个报文段的往返时间RTT，显然超时重传时间RTO会略大于这个RTT，TCP会根据网络情况动态的计算RTT，即RTO是不断变化的。在Linux中，超时以500ms为单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。其规律为：如果重发一次仍得不到应答，就等待2 500ms后再进行重传，如果仍然得不到应答就等待4 500ms后重传，依次类推，以指数形式递增，重传次数累计到一定次数后，TCP认为网络或对端主机出现异常，就会强行关闭连接。连接管理机制即TCP建立连接时的三次握手和断开连接时的四次挥手。接收端处理数据的速度是有限的，如果发送方发送数据的速度过快，导致接收端的缓冲区满，而发送方继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等一系列连锁反应。因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度，这个机制叫做流量控制。在TCP报文段首部中有一个16位窗口长度，当接收端接收到发送方的数据后，在应答报文ACK中就将自身缓冲区的剩余大小，放入16窗口大小中。这个大小随数据传输情况而变，窗口越大，网络吞吐量越高，而一旦接收方发现自身的缓冲区快满了，就将窗口设置为更小的值通知发送方。如果缓冲区满，就将窗口置为0，发送方收到后就不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。注意：窗口大小不受16位窗口大小限制，在TCP首部40字节选项中还包含一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是窗口字段的值左移M位。流量控制解决了两台主机之间因传送速率而可能引起的丢包问题，在一方面保证了TCP数据传送的可靠性。然而如果网络非常拥堵，此时再发送数据就会加重网络负担，那么发送的数据段很可能超过了最大生存时间也没有到达接收方，就会产生丢包问题。为此TCP引入慢启动机制，先发出少量数据，就像探路一样，先摸清当前的网络拥堵状态后，再决定按照多大的速度传送数据。此处引入一个拥塞窗口：发送开始时定义拥塞窗口大小为1；每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；而在每次发送数据时，发送窗口取拥塞窗口与接送段接收窗口最小者。慢启动：在启动初期以指数增长方式增长；设置一个慢启动的阈值，当以指数增长达到阈值时就停止指数增长，按照线性增长方式增加；线性增长达到网络拥塞时立即“乘法减小”，拥塞窗口置回1，进行新一轮的“慢启动”，同时新一轮的阈值变为原来的一半。“慢启动”机制可用图表示：1）连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。2）每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升3）每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升4）还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”（后面会说这个算法）1）收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd2）当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。当出现ack超时的时候，需要重传数据包。TCP认为这种情况太糟糕，反应也很强烈。快速重传在收到3个duplicate ACK时就开启重传(三次 ack 就认为丢包的原理见 关于TCP乱序和重传的问题 、 TCP 快速重传为什么是三次冗余 ACK )，而不用等到RTO超时。TCP Reno的实现是：快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法是认为，你还有3个Duplicated Acks说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像RTO超时那么强烈。 注意，正如前面所说，进入Fast Recovery之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：然后，真正的Fast Recovery算法如下：cwnd = sshthresh+ 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）重传Duplicated ACKs指定的数据包如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了。如果你仔细思考一下上面的这个算法，你就会知道，上面这个算法也有问题，那就是——它依赖于3个重复的Acks。注意，3个重复的Acks并不代表只丢了一个数据包，很有可能是丢了好多包。但这个算法只会重传一个，而剩下的那些包只能等到RTO超时，于是，进入了恶梦模式——超时一个窗口就减半一下，多个超时会超成TCP的传输速度呈级数下降，而且也不会触发Fast Recovery算法了。 通常来说，正如我们前面所说的，SACK或D-SACK的方法可以让Fast Recovery或Sender在做决定时更聪明一些，但是并不是所有的TCP的实现都支持SACK（SACK需要两端都支持），所以，需要一个没有SACK的解决方案。而通过SACK进行拥塞控制的算法是FACK（可参见 关于TCP乱序和重传的问题 ）

数据到达接收方，接收方需要发出一个确认应答，表示已经收到该数据段，并且确认序号会说明它下一次需要接受的数据序列号。 如果发送方迟迟未收到应答，那么可能是发送的数据丢失，也可能是确认应答丢失，这时发送方在等待一定时间后会进行重传，这个时间一般是2*RTT（报文往返时间）+一个偏差值。TCP会利用窗口控制来提高传输速度，意思是在一个窗口大小内，不用一定要等到应答才能发送下一段数据，窗口大小就是无需等待确认而可以继续发送的数据的最大值。如果不适用窗口控制，每一个未收到确认应答的数据都要重发。使用窗口控制，如果数据段1001-2000丢失，后面数据每次传输，确认应答都会不停地发送序号为1001的应答，表示我要接受1001开始的数据，发送端如果收到3次相同应答，就会立刻进行重发。但还有种情况可能是数据都收到了，但是有的应答丢失了，这种情况不会进行重发，因为发送端知道，如果数据段丢失，接收端不会放过它的，会疯狂向它提醒。如果把窗口定的很大，发送端连续发送大量的数据，可能会造成网络的拥堵，甚至造成网络的瘫痪。TCP为了防止这种情况而进行了拥塞控制。1.慢启动：定义拥塞窗口，一开始将该窗口的大小设为1，之后每次收到确认应答（经过一个RTT），将拥塞窗口大小*2.2.拥塞避免：设置慢启动阈值，一般开始都设为65536。拥塞避免是指当拥塞窗口大小达到这个阈值，拥塞窗口的值不再指数上升，而是加法增加(每次确认应答/每个RTT，拥塞窗口大小+1），一次来避免拥塞。将报文段的超时重传看作拥塞，则一旦发生超时重传，我们需要先将阈值设为当前窗口大小的一般，并且将窗口大小设为初值1，然后重新进入慢启动过程。3.快速重传：在遇到3次重复确认应答（告诉重发控制）时，代表收到了3个报文段，但是这之前的1个段丢失了，便对它进行立即重传。然后，先将阈值设为当前窗口大小的一般，然后将拥塞窗口大小设为慢启动阈值+3的大小。 这样可以达到：在TCP通信时，网络吞吐量呈现逐渐的上升，并且随着拥堵来降低吞吐量， 再进入慢慢上升的过程，网络不会轻易的发生瘫痪。

1、建立连接：简单来说每个tcp/ip连接都是在三次握手基础上建立连接，并且实时检查连接状态。数据的传输具规范性。 2、超时重传：是TCP协议保证数据可靠性的另一个重要机制，其原理是在发送某一个数据以后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据报的ACK报文，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。
1.通过三次握手 2.设置了窗口 使它的传输有流量控制和差错控制实现的可靠传输 3.它是面向连接的协议不像udp

TCP的可靠性是通过以下几个规则来实现的。 首先，为了防止数据在传输的过程中被损坏，每个信息包都包含一个校验码，这个校验码头就是一个用来保证信息包在传输过程中没有被更改的代码，当信息到达目的地的时候，接收方会对比较验码和收到的信息中的数据，如果校验码不对，则被信息包将被省略。第二，为了防止信息包丢失，TCP会要求接收方每收到一个信息包都反馈一下，如果接收方没有提供反馈，发送方会自动重发一次，一直到接收方收到为止，或者它会判断网络链接断开了，就会在程序中返回一个错误的提示。 第三，为了防止信息包重复或顺序错误，TCP每传送一个信息包都会传送一个序号，接收方会检查这个序号，确保收到该信息包，并把全部信息包按顺序重新合并，同时，如果接收方看到一个已接收了的序号，则这个信息包就会被丢弃。
TCP通过下列方式来提供可靠性： •应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（segment）TCP如何确定报文段的长度。•当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。在第21章我们将了解TCP协议中自适应的超时及重传策略。•当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒•TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。•既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。•既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。•TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。两个应用程序通过TCP连接交换8bit字节构成的字节流。TCP不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务（bytestreamservice）。如果一方的应用程序先传10字节，又传20字节，再传50字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接收这80个字节，每次接收20字节。一端将字节流放到TCP连接上，同样的字节流将出现在TCP连接的另一端。另外，TCP对字节流的内容不作任何解释。TCP不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是ASCII字符、EBCDIC字符或者其他类型数据。对字节流的解释由TCP连接双方的应用层解释。 这种对字节流的处理方式与Unix操作系统对文件的处理方式很相似。Unix的内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对Unix的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

1、检验和 TCP检验和的计算与UDP一样，在计算时要加上12byte的伪首部，检验范围包括TCP首部及数据部分，但是UDP的检验和字段为可选的，而TCP中是必须有的。2、序列号TCP将每个字节的数据都进行了编号，这就是序列号。序列号的作用：数据传输过程中的确认应答处理、重发控制以及重复控制等功能都可以通过序列号来实现。TCP在发送数据时，并不是按顺序发送的，发送出去的数据包也不能保证按序到达（网络的不确定性）。接收端接收到数据之后，按序号排序，如果中间某个数据报丢失了，之后的数据报还是会被接收，但是不会对发送端返回之后的确认，而是会重复发送对丢失出之前的数据确认，保证发送端会对丢失的数据段进行重发。保证数据的按序组装TCP规定，在确认报文里，若确认号=N，意思是告诉发送者，到序号N-1为止的所有数据都已经正确的收到，下次你从N开始发送建立连接时，双方发送的SYN报文和ACK报文段都是不携带数据的，但是会消耗一个序号，这个序号通常是随机值TCP规定，首部中序号字段的值是本报文段发送数据的第一个字节的序号。3、确认应答机制（ACK）TCP通过确认应答机制实现可靠的数据传输。在TCP的首部中有一个标志位——ACK，此标志位表示确认号是否有效。接收方对于按序到达的数据会进行确认，当标志位ACK=1时确认首部的确认字段有效。进行确认时，确认字段值表示这个值之前的数据都已经按序到达了。而发送方如果收到了已发送的数据的确认报文，则继续传输下一部分数据；而如果等待了一定时间还没有收到确认报文就会启动重传机制。正常情况下的应答机制：4、超时重传机制当报文发出后在一定的时间内未收到接收方的确认，发送方就会进行重传（通常是在发出报文段后设定一个定时器，到点了还没有收到应答则进行重传），其基本过程如下：当然，未收到确认不一定就是发送的数据包丢了，还可能是确认的ACK丢了：当接收方接收到重复的数据时就将其丢掉，重新发送ACK。而要识别出重复的数据，就要用到前面提到的序列号了，利用序列号很容易就可以做到去重的效果。重传时间的确定：报文段发出到收到应答中间有一个报文段的往返时间RTT，显然超时重传时间RTO会略大于这个RTT，TCP会根据网络情况动态的计算RTT，即RTO是不断变化的。在Linux中，超时以500ms为单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。其规律为：如果重发一次仍得不到应答，就等待2500ms后再进行重传，如果仍然得不到应答就等待4500ms后重传，依次类推，以指数形式递增，重传次数累计到一定次数后，TCP认为网络或对端主机出现异常，就会强行关闭连接。超时重传的过程：放置片段到重传队列中，启动计时器：TCP在发送包含数据的片段后，片段都会被复制一份并放在重传队列中，然后启动计时器。确认处理：如果在计时器超时之前收到确认信息，就把该片段从重传队列中移除超时重传：如果在计时器超时之前没有收到确认信息，则相应片段被重新发送给对方，即重传机制，但是TCP也不能保证重传报文的可靠性，所以该报文依然会处于重传队列中，并重新计时，如果还是超时，则重复这一动作，而且超时时间会设置的较之前长，但是TCP只会重传一定数量的次数，因此当超过这个次数时，TCP会检查故障并断开连接这个等待的时间被称为RTO，RTO也是根据RTT（传输往返时间）来确定的，也和当时网络的状态有关系，需要通过具体算法实现，不是确定值如果超时时间设置的太长，会影响整体的重传效率如果超时时间设置的太短，会频繁发送很多重复的包去重：当主机B的确认报文丢失时，主机A没有收到相应的确认报文，就会重传，主机B会收到重复的报文，TCP会根据报文中的序列号来移除重复收到的报文。5、连接管理机制连接管理机制即TCP建立连接时的三次握手和断开连接时的四次挥手。 首先三次握手：