tcp详解(tcp详解 pdf)

unix的哲学是一切皆文件，可以把socket看成是一种特殊的文件，而一些socket函数就是对其进行的操作api（读/写IO、打开、关闭）。我们知道普通文件的打开操作（open）返回一个文件描述字，与之类似，socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，sockfd即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。在将一个地址绑定到socket的时候，需要先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过不少血案，谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。这里的主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为socket可以接受的排队的最大连接个数。listen函数表示等待客户的连接请求。connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数去接收请求，这样连接就建立好了(在connect之后就建立好了三次连接)，之后就可以开始进行类似于普通文件的网络I/O操作了。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与客户的TCP连接。accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，类似于操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为已关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：客户端向服务器发送一个SYN J服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1客户端再想服务器发一个确认ACK K+1socket中TCP的四次握手释放连接详解某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。一段时间之后，服务端调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认,这样每个方向上都有一个FIN和ACK。为什么要三次握手由于tcp连接是全双工的，存在着双向的读写通道，每个方向都必须单独进行关闭。当一方完成它的数据发送任务后就可以发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到FIN只意味着这个方向上没有数据流动，但并不表示在另一个方向上没有读写，所以要双向的读写关闭需要四次握手，3. time_wait状态如何避免？首先服务器可以设置SO_REUSEADDR套接字选项来通知内核，如果端口忙，但TCP连接位于TIME_WAIT状态时可以重用端口。在一个非常有用的场景就是，如果你的服务器程序停止后想立即重启，而新的套接字依旧希望使用同一端口，此时SO_REUSEADDR选项就可以避免TIME_WAIT状态。1.客户端连接服务器的80服务，这时客户端会启用一个本地的端口访问服务器的80，访问完成后关闭此连接，立刻再次访问服务器的80，这时客户端会启用另一个本地的端口，而不是刚才使用的那个本地端口。原因就是刚才的那个连接还处于TIME_WAIT状态。2.客户端连接服务器的80服务，这时服务器关闭80端口，立即再次重启80端口的服务，这时可能不会成功启动，原因也是服务器的连接还处于TIME_WAIT状态。实战分析：状态描述：CLOSED：无连接是活动的或正在进行LISTEN：服务器在等待进入呼叫SYN_RECV：一个连接请求已经到达，等待确认SYN_SENT：应用已经开始，打开一个连接ESTABLISHED：正常数据传输状态FIN_WAIT1：应用说它已经完成FIN_WAIT2：另一边已同意释放ITMED_WAIT：等待所有分组死掉CLOSING：两边同时尝试关闭TIME_WAIT：另一边已初始化一个释放LAST_ACK：等待所有分组死掉命令解释：如何尽量处理TIMEWAIT过多?编辑内核文件/etc/sysctl.conf，加入以下内容：net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系默认的 TIMEOUT 时间然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效./etc/sysctl.conf是一个允许改变正在运行中的Linux系统的接口，它包含一些TCP/IP堆栈和虚拟内存系统的高级选项，修改内核参数永久生效。简单来说，就是打开系统的TIMEWAIT重用和快速回收。本文主要讲述了socket的主要api，以及tcp的连接过程和其中各个阶段的连接状态，理解这些是更深入了解tcp的基础！

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

以太网的链路层协议：两个串行接口链路层协议（SLIP 和PPP）, 以及大多数实现都包含的环回（loopback）驱动程序。 MTU： 最大传输单元2.2. 以太网和IEEE 802封装 ——我们常说的都是以太网的封装格式（常用）以 太 网 这 个 术 语 一 般 是 指 数 字 设 备 公 司 ( D i g i t a l E q u i p m e n t C o r p . )、 英 特 尔 公 司 ( I n t e l C o r p . )和 X e r o x 公司在 1 9 8 2 年 联 合 公 布 的 一 个 标 准 。8 0 2 . 3 针对整个 C S M A / C D 网络，8 0 2 . 4 针 对 令 牌 总 线 网 络 ，8 0 2 . 5 针 对 令 牌 环 网 络 。都是由 8 0 2 . 2标 准 来 定 义 ， 那 就 是 8 0 2 网 络 共 有 的 逻 辑 链 路 控 制 ( L L C )。 不 幸 的 是 ， 8 0 2 . 2 和 8 0 2 . 3 定 义 了 一 个 与 以 太 网 不 同 的 帧 格 式 。IEEE 802要求每台Internet主机都与一个10Mb/s的以太网电缆相连接的：1）必须能发送和接收采用REC 1042(IEEE 802)封装格式的分组2）应该能够接收与RFC 894 混合的REC 1042封装格式的分组3）也许能够发送采用 RFC 1042格式封装的分组。如果主机能同时发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设置的，而且默认条件下必须是 RFC 894分组。RFC 894 和 RFC 1042两种帧格式都采用 4 8 b i t ( 6 字节)的目的地址和源地址( 8 0 2 . 3 允许使用 1 6 b i t 的地址，但一般是 4 8 b i t 地址)。这就是我们在本书中所称的硬件地址。 A R P 和 R A R P 协议(第4 章和第 5 章) 对 3 2 b i t 的 I P 地址和 4 8 b i t 的 硬 件 地 址 进 行 映 射 。C R C 字 段 用 于 帧 内 后 续 字 节 差 错 的 循 环 冗 余 码 检 验 ( 检 验 和 )( 它 也 被 称 为 F C S 或帧检验序列)。 —— 这个需要看一下这个是怎么校验的2.3 尾部封装描述了另一种用于以太网的封装格式，称为：尾部封装(trailer encapsulation)通过调整IP数据包中字段的次序来提高性能。《在以太网中数据帧中，开始的那部分是边长的字段(IP首部和TCP首部)》把它们移到尾部（在CRC之前），这样当把数据复制到内核时，就可以把数据帧中的数据部分映射到一个硬件页面， 节省内存到内存的复制过程。TCP 数据报的长度是512字节的整数倍，正好可以用内核中的页表处理。 —— 所以，我们要了解内存的分页过程—— 现在基本上是反对了尾部封装了； （可以略过）2.4 SLIP: 串行线路IP（Serial Line IP）它是一种在串行线路上对IP数据报进行封装的简单形式。SLIP适用于家庭中每台计算机几乎都有的RS-232串行端口和高速调制解调器接入Internet。SLIP 缺陷：1）每一端必须知道对方的 I P 地址。没有办法把本端的 I P 地址通知给另一端。2）数 据 帧 中 没 有 类 型 字 段 ( 类 似 于 以 太 网 中 的 类 型 字 段 )。如果一条串行线路用于 S L I P ，那么它不能同时使用其他协议3)S L I P 没 有 在 数 据 帧 中 加 上 检 验 和 ( 类 似 于 以 太 网 中 的 C R C 字段)。如果 S L I P 传 输 的 报 文被线路噪声影响而发生错误，只能通过上层协议来发现(另一种方法是，新型的调制解调 器 可 以 检 测 并 纠 正 错 误 报 文 )现在很多厂家都支持这个协议；2.5 压缩的SLIP由 于 串 行 线 路 的 速 率 通 常 较 低 ( 1 9 2 0 0 b / s 或 更 低 )， 而 且 通 信 经 常 是 交 互 式 的 ( 如 T e l n e t 和 R l o g i n ， 二 者 都 使 用 T C P )，因此在 S L I P 线 路 上 有 许 多 小 的 T C P 分 组 进 行 交 换 。 为 了 传 送 1 个 字 节 的 数 据 需 要 2 0 个字节的 I P 首部和 2 0 个字节的 T C P 首 部 ， 总 数 超 过 4 0 个字节；C S L I P 一般能把上面的 4 0 个字节压缩到 3 或 5 个 字节。2.6 PPP 点对点协议修改了SLIP协议的所有缺陷包括了三个部分：1）在串行链路上封装IP数据包的方法。支持数据为8bit和无奇偶校验的异步模式，还支持面向比特的同步链接2）建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（TCP：Link Control Protocol） 。 它允许通信双方进行协商，已确定不同的选项。3）针对不同的网络层协议的网络控制协议（NCP：Network Control Protocol）体系。当前RFC定义的网络层有IP、OSI网络层、DECnet以及AppleTalk。每一帧都以标志字符 0 x 7 e 开始和结束。紧接着是一个地址字节，值始终是 0 x ff ，然后是一 个值为 0 x 0 3 的控制字节。信息中如果有0x7E , 那么就需要采用比特填充（bit stuffing）的硬件技术来完成的；2.7 环回接口 （lookback interface）允许运行在同一台主机上的客户程序和服务程序通过TCP/IP 进行通信。A类网络号127就是给环回接口预留的；一般系统把IP地址127.0.0.1 分配给这个接口，并命名为localhost。 一个传给环回的IP数据包不能在任何网络上出现。检测到目的端地址是环回地址时，应该可以省略部分传输层和所 有网络层的逻辑操作。但是大多数的产品还是照样完成传输层和网络层的所有过程，只是当I P 数据报离开网络层时把它返回给自己。2.8 最大传输单元MTU链路上对数据帧的长度都有一个限制的特性 —— MTU如果 I P 层 有 一 个 数 据 报 要 传 ， 而 且 数 据的长度比链路层的 M T U 还大，那么 I P 层 就 需 要 进 行 分 片 ( f r a g m e n t a t i o n )， 把 数 据 报分成若干片，这样每一片都小于 M T U 。点到点的链路层(如 S L I P 和 P P P )的 M T U并非指的 是网络媒体的物理特性。相反，它是一个逻辑限制，目的是为交互使用提供足够快的响应时 间。2.9 路径MTU当在同一个网络上的两台主机互相进行通信时，该网络的 M T U 是 非 常 重 要 的 。但 是 如 果 两台主机之间的通信要通过多个网络，那么每个网络的链路层就可能有不同的 M T U 。重要的不是两台主机所在网络的 M T U的值，重要的是两台通信主机路径中的最小 M T U 。它被称作路径M T U。两台主机之间的路径 M T U 不 一 定 是 个 常 数 。 它 取 决 于 当 时 所 选 择 的 路 由 。 而 选 路 不 一 定 是 对 称 的 ( 从 A 到 B 的 路 由 可 能 与 从 B 到 A 的 路 由 不 同 )， 因 此 路 径 M T U 在 两 个 方 向 上 不 一 定 是 一致的。——> 动态、方向2.10 串行线路吞吐量计算将用这些串行线路吞吐量的计算来验证数据从串行线路上通过的 时间。数据块的划分： 考虑到数据的占用比例，和等待的时间问题，取一个平衡的值； 。。。。 这个需要进行计算

让我们来看看这张图首先来了解每个部分的意义其他部分解释在这里：为什么建链接要 3 次握手，断链接需要 4 次挥手？另有一些需要注意的地方：Again，使用tcp_tw_reuse和tcp_tw_recycle来解决TIME_WAIT的问题是非常非常危险的，因为这两个参数违反了TCP协议（RFC 1122）SeqNum 的增加是和传输的字节数相关的。上图中，三次握手后，来了两个 Len:1440 的包，而第二个包的 SeqNum 就成了 1441。然后第一个 ACK 回的是 1441，表示第一个 1440 收到了。注意：如果你用 Wireshark 抓包程序看 3 次握手，你会发现 SeqNum 总是为 0，不是这样的，Wireshark 为了显示更友好，使用了 Relative SeqNum ——相对序号，你只要在右键菜单中的 protocol preference 中取消掉就可以看到“Absolute SeqNum”了TCP 要保证所有的数据包都可以到达，所以，必需要有重传机制。比如：发送端发了 1,2,3,4,5 五个包，接收端收到了 1,2 于是返回 ack 3，然后收到了 4（3 没收到）。此时的 TCP 会怎么办？因为正如前面所说的，SeqNum 和 Ack 是以字节数为单位，所以 ack 的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了。有这样一个简单的办法：不回 ack，死等 3。当发送方发现收不到 3 的 ack 超时后，会重传 3。一旦接收方收到 3 后，会 ack 回 4——意味着 3 和 4 都收到了。但是这样有个非常大的 BUG，不回 ACK 那收到的 4,5 也不告诉发送方，这样发送方很有可能会认为 4,5 也没有到。导致 4,5 的重传于是，TCP引入了一种叫Fast Retransmit的算法，不以时间驱动，而以数据驱动重传。也就是说，如果，包没有连续到达，就 ack 最后那个可能被丢了的包，如果发送方连续收到 3 次相同的ack，就重传。Fast Retransmit 的好处是不用等 timeout 了再重传。比如说：我收到了 3 没收到 2，返回 ack2我又收到了 4 但还是没收到 2，返回 ack2但是 TMD 我又收到了 5 就是没收到 2，还是返回 ack2这个时候，不用等 timeout 的发送方就知道了 2 怕是掉了。于是会重新发 2。然后我接收到了我就返回 ack6**快速重传只解决了一个问题：不再需要等 timeout 就可以重新传包了。那重传多少呢？我知道 4 丢了，那要不要重传 5,6,7 呢？ **所以就有了另一个更好的办法：Selective Acknowledgment （SACK）。这种方式需要在 TCP 头里加一个 SACK 的东西，ACK 还是 Fast Retransmit 的 ACK，SACK 则是汇报收到的数据碎版。参看下图：这样，在发送端就可以根据回传的 SACK 知道哪些数据到了，哪些数据没有到。于是就优化了 Fast Retransmit 的算法。当然，这个协议需要两边都支持。在 Linux下，可以通过tcp_sack参数打开这个功能（Linux 2.4后默认打开）。这里还需要注意一个问题——接收方 Reneging，所谓 Reneging 的意思就是接收方有权把已经报给发送端 SACK 里的数据给丢了。这样干是不被鼓励的，因为这个事会把问题复杂化了，但是，接收方这么做可能会有些极端情况，比如要把内存给别的更重要的东西。所以，发送方也不能完全依赖 SACK，还是要依赖 ACK，并维护 Time-Out，如果后续的 ACK 没有增长，那么还是要把 SACK 的东西重传，另外，接收端这边永远不能把 SACK 的包标记为 Ack。注意：SACK 会消费发送方的资源，试想，如果一个攻击者给数据发送方发一堆 SACK 的选项，这会导致发送方开始要重传甚至遍历已经发出的数据，这会消耗很多发送端的资源。详细的东西请参看《 TCP SACK的性能权衡 》Duplicate SACK 又称 D-SACK，其主要使用了 SACK 来告诉发送方有哪些数据被重复接收了。D-SACK 使用了 SACK 的第一个段来做标志下面的示例中，丢了两个 ACK，所以，发送端重传了第一个数据包（3000-3499），于是接收端发现重复收到，于是回了一个SACK=3000-3500，因为 ACK 都到了 4000 意味着收到了 4000 之前的所有数据，所以这个 SACK 就是 D-SACK——旨在告诉发送端我收到了重复的数据，而且我们的发送端还知道，数据包没有丢，丢的是 ACK 包。下面的示例中，网络包（1000-1499）被网络给延误了，导致发送方没有收到 ACK，而后面到达的三个包触发了“Fast Retransmit算法”，所以重传，但重传时，被延误的包又到了，所以，回了一个SACK=1000-1500，因为 ACK 已到了3000，所以，这个 SACK 是D-SACK——标识收到了重复的包。这个案例下，发送端知道之前因为“Fast Retransmit算法”触发的重传不是因为发出去的包丢了，也不是因为回应的 ACK 包丢了，而是因为网络延时了。可见，引入了D-SACK，有这么几个好处：知道这些东西可以很好得帮助TCP了解网络情况，从而可以更好的做网络上的流控。Linux 下的 tcp_dsack 参数用于开启这个功能（Linux 2.4后默认打开）陈皓大神讲的真的非常非常好，我仔仔细细把这篇文章过了一遍。

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。