tcp协议的性能分析(tcp/ip协议简要分析论文)

1、TCP/IP体系结构TCP/IP协议实际上就是在物理网上的一组完整的网络协议。其中TCP是提供传输层服务，而IP则是提供网络层服务。TCP/IP包括以下协议：IP： 网间协议(Internet Protocol) 负责主机间数据的路由和网络上数据的存储。同时为ICMP，TCP，UDP提供分组发送服务。用户进程通常不需要涉及这一层。ARP： 地址解析协议(Address Resolution Protocol)，此协议将网络地址映射到硬件地址。RARP： 反向地址解析协议(Reverse Address Resolution Protocol)，此协议将硬件地址映射到网络地址。ICMP： 网间报文控制协议(Internet Control Message Protocol)，此协议处理信关和主机的差错和传送控制。TCP： 传送控制协议(Transmission Control Protocol)，这是一种提供给用户进程的可靠的全双工字节流面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电路服务，并为数据可靠传输建立检查。（注：大多数网络用户程序使用TCP）UDP： 用户数据报协议(User Datagram Protocol)，这是提供给用户进程的无连接协议，用于传送数据而不执行正确性检查。FTP： 文件传输协议(File Transfer Protocol)，允许用户以文件操作的方式（文件的增、删、改、查、传送等）与另一主机相互通信。SMTP： 简单邮件传送协议(Simple Mail Transfer Protocol)，SMTP协议为系统之间传送电子邮件。TELNET：终端协议(Telnet Terminal Procotol)，允许用户以虚终端方式访问远程主机。HTTP： 超文本传输协议(Hypertext Transfer Procotol)。TFTP: 简单文件传输协议(Trivial File Transfer Protocol)。2、TCP/IP特点：TCP/IP协议的核心部分是传输层协议(TCP、UDP)，网络层协议(IP)和物理接口层，这三层通常是在操作系统内核中实现。因此用户一般不涉及。编程时，编程界面有两种形式：（1）是由内核心直接提供的系统调用；（2）使用以库函数方式提供的各种函数。前者为核内实现，后者为核外实现。用户服务要通过核外的应用程序才能实现，所以要使用套接字(socket)来实现。
（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统； （2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中； （3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址； （4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是为了在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流而专门设计的一个传输协议。 [2] 互联网络与单个网络有很大的不同，因为互联网络的不同部分可能有截然不同的拓扑结构、带宽、延迟、数据包大小和其他参数。TCP的设计目标是能够动态地适应互联网络的这些特性，而且具备面对各种故障时的健壮性。 [2]不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。 [3]应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。 [3]每台支持TCP的机器都有一个TCP传输实体。TCP实体可以是一个库过程、一个用户进程，或者内核的一部分。在所有这些情形下，它管理TCP流，以及与IP层之间的接口。TCP传输实体接受本地进程的用户数据流，将它们分割成不超过64KB（实际上去掉IP和TCP头，通常不超过1460数据字节）的分段，每个分段以单独的IP数据报形式发送。当包含TCP数据的数据报到达一台机器时，它们被递交给TCP传输实体，TCP传输实体重构出原始的字节流。为简化起见，我们有时候仅仅用“TCP”来代表TCP传输实体（一段软件）或者TCP协议（一组规则）。根据上下文语义你应该能很消楚地推断出其实际含义。例如，在“用户将数据交给TCP”这句话中，很显然这里指的是TCP传输实体。 [2] IP层并不保证数据报一定被正确地递交到接收方，也不指示数据报的发送速度有多快。正是TCP负责既要足够快地发送数据报，以便使用网络容量，但又不能引起网络拥塞：而且，TCP超时后，要重传没有递交的数据报。即使被正确递交的数据报，也可能存在错序的问题，这也是TCP的责任，它必须把接收到的数据报重新装配成正确的顺序。简而言之，TCP必须提供可靠性的良好性能，这正是大多数用户所期望的而IP又没有提供的功能。

TCP/IP协议是现在互联网的基础。TCP/IP协议主要有如下的特点。 1、TCP/IP协议是一个开放的协议标准，所有人都可以免费试用，并且是独立于硬件和操作系统的。2、TCP/IP协议是不区分网络硬件的，它在局域网，广域网和互联网中都被广泛使用。3、TCP/IP协议使用统一的网络地址分配的方案。网络中的每台电脑都具有唯一的IP地址。 4、TCP/IP协议是一个标准的高层协议，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。
TCP/IP协议是现在互联网的基础。TCP/IP协议主要有如下的特点。 1、TCP/IP协议是一个开放的协议标准，所有人都可以免费试用，并且是独立于硬件和操作系统的。2、TCP/IP协议是不区分网络硬件的，它在局域网，广域网和互联网中都被广泛使用。3、TCP/IP协议使用统一的网络地址分配的方案。网络中的每台电脑都具有唯一的IP地址。 4、TCP/IP协议是一个标准的高层协议，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。
TCP/IP协议bai是du现在互联网的基础。TCP/IP协议主要有如下的特点zhi。 1、TCP/IP协议是一个开放dao的协议标准，所有人zhuan都可以免费shu试用，并且是独立于硬件和操作系统的。2、TCP/IP协议是不区分网络硬件的，它在局域网，广域网和互联网中都被广泛使用。3、TCP/IP协议使用统一的网络地址分配的方案。网络中的每台电脑都具有唯一的IP地址。 4、TCP/IP协议是一个标准的高层协议，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。

主要特点：面向连接、面向字节流、全双工通信、通信可靠。优缺点：应用场景：要求通信数据可靠时，即 数据要准确无误地传递给对方。如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP等协议；传输邮件：POP、SMTP等协议ps：首部的前 20 个字节固定，后面有 4n 字节根据需要增加。故 TCP首部最小长度 = 20字节（最大60个字节）。TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。重要字段：客户端与服务器来回共发送三个TCP报文段来建立运输连接，三个TCP报文段分别为：（1）客户端A向服务器B发送的TCP请求报段“SYN=1,seq=x”；（2）服务器B向客户端A发送的TCP确认报文段“SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1”；（3）客户端A向服务器B发送的TCP确认报文段“ACK=1,seq=x+1,ack=y+1”。ps：在建立TCP连接之前，客户端和服务器都处于关闭状态（CLOSED）,直到客户端主动打开连接，服务器才被动打开连接（处于监听状态 = LISTEN）,等待客户端的请求。TCP 协议是一个面向连接的、安全可靠的传输层协议，三次握手的机制是为了保证能建立一个安全可靠的连接。通过上述三次握手，双方确认自己与对方的发送与接收是正常的，就建立起一条TCP连接，即可传送应用层数据。ps：因 TCP提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据；三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发。为什么两次握手不行呢？结论：防止服务器接收了早已经失效的连接请求报文，服务器同意连接，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源。ps：SYN洪泛攻击：（具体见下文）为什么不需要四次握手呢？SYN 同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers) 是 TCP/IP 建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立正常的 TCP 网络连接时，客户机首先发出一个 SYN 消息，服务器使用 SYN-ACK 应答表示接收到了这个消息，最后客户机再以 ACK确认序号标志消息响应。这样在客户机和服务器之间才能建立起可靠的 TCP 连接，数据才可以在客户机和服务器之间传递。如何来解决半连接攻击？如何来解决全连接攻击？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设置的时间 2MSL（MSL：最长报文段寿命）后，客户端才能进入到 CLOSED 状态，然后撤销传输控制块，结束这次 TCP 连接。当然如果服务器一收到 客户端的确认就进入 CLOSED 状态，然后撤销传输控制块。所以在释放连接时，服务器结束 TCP 连接的时间要早于客户端。TCP是全双工的连接，必须两端同时关闭连接，连接才算真正关闭。简言之，客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器才会发送 FIN 连接释放报文，对方确认后就完全关闭了TCP连接。举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说“我没啥要说的了”，B回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，这样通话才算结束。ps：设想这样一个情景：客户端已主动与服务器建立了 TCP 连接。但后来客户端的主机突然发生故障。显然，服务器以后就不能再收到客户端发来的数据。因此，应当有措施使服务器不要再白白等待下去。这就需要使用TCP的保活计时器。基本原理：tcp11种状态及变迁其实基本包含在正常的三次握手和四次挥手中，除开CLOSING。正常的三次握手包括4中状态变迁：服务器打开监听(LISTEN)->客户端先发起SYN主动连接标识->服务器回复SYN及ACK确认->客户端再确认即三次握手TCP连接成功。这里边涉及四种状态及变迁：正常的四次握手包含6种tcp状态变迁，如主动发起关闭方为客户端：客户端发送FIN进入FIN_WAIT1 -> 服务器发送ACK确认并进入CLOSE_WAIT(被动关闭)状态->客户端收到ACK确认后进入FIN_WAIT2状态 -> 服务器再发送FIN进入LAST_ACK状态 -> 客户端收到服务器的FIN后发送ACK确认进入TIME_WAIT状态 -> 服务器收到ACK确认后进入CLOSED状态断开连接 -> 客户端在等待2MSL的时间如果期间没有收到服务器的相关包，则进入CLOSED状态断开连接。CLOSING状态：连接断开期间，一般是客户端发送一个FIN，然后服务器回复一个ACK，然后服务器发送完数据后再回复一个FIN，当客户端和服务器同时接受到FIN时，客户端和服务器处于CLOSING状态，也就是此时双方都正在关闭同一个连接。在进入CLOSING状态后，只要收到了对方对自己发送的FIN的ACK，收到FIN的ACK确认就进入TIME_WAIT状态，因此，如果RTT(Round Trip Time TCP包的往返延时)处在一个可接受的范围内，发出的FIN会很快被ACK从而进入到TIME_WAIT状态，CLOSING状态持续的时间就特别短，因此很难看到这种状态。我们知道网络层，可以实现两个主机之间的通信。但是这并不具体，因为，真正进行通信的实体是在主机中的进程，是一个主机中的一个进程与另外一个主机中的一个进程在交换数据。IP协议虽然能把数据报文送到目的主机，但是并没有交付给主机的具体应用进程。而端到端的通信才应该是应用进程之间的通信。应用场景：UDP协议比TCP协议的效率更高，TCP协议比UDP协议更加安全可靠。下面主要对数据传输出现错误/无应答/堵塞/超时/重复等问题。注意：TCP丢包：TCP是基于不可靠的网路实现可靠传输，肯定会存在丢包问题。如果在通信过程中，发现缺少数据或者丢包，那边么最大的可能性是程序发送过程或者接受过程中出现问题。总结：为了满足TCP协议不丢包，即保证可靠传输，规定如下：注意：TCP丢包有三方面的原因，一是网络的传输质量不好，二是安全策略，三是服务器性能瓶颈先理解2个基础概念：发送窗口、接收窗口工作原理：注意点：关于滑动窗口的知识点：滑动窗口中的数据类型：ARQ解决的问题：出现差错时，让发送方重传差错数据：即 出错重传类型：流量控制和拥塞控制解决的问题：当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即 速度匹配流量控制：注意：拥塞控制：慢开始与拥塞避免：快重传和快恢复：补充：流量控制和拥塞控制的区别什么情况造成TCP粘包和拆包？解决TCP粘包和拆包的方法：传输层无法保证数据的可靠传输，只能通过应用层来实现了。实现的方式可以参照tcp可靠性传输的方式，只是实现不在传输层，实现转移到了应用层。最简单的方式是在应用层模仿传输层TCP的可靠性传输。下面不考虑拥塞处理，可靠UDP的简单设计。https://www.jianshu.com/p/65605622234bhttp://www.open-open.com/lib/view/open1517213611158.htmlhttps://blog.csdn.net/dangzhangjing97/article/details/81008836https://blog.csdn.net/qq_30108237/article/details/107057946https://www.jianshu.com/p/6c73a4585eba

TCP有以下几个知识点。图片备用地址图片备用地址TCP的几个要点：可靠传输、流量控制、拥塞控制、连接管理（建立和释放连接）。也正因为这几点使得首部变得很复杂。占4位，取值范围是0x0101 ~ 0x1111。乘以4就是首部长度（Header Length）。所以取值范围是5 ~ 60字节，由于首部固定部分占用20字节，所以可选部分至多占用40字节（和网络层首部一样）。为什么叫数据偏移？因为相对TCP报文向右偏移首部长度后就是数据部分。UDP的首部中有个16位的字段记录了整个UDP报文段的长度（首部 + 数据）。但是，TCP的首部中仅仅有个4位的字段记录了TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度。分析：UDP首部中占16位的长度字段是冗余的，纯粹是为了保证首部是32bit对齐。TCP/UDP的数据长度，完全可以由IP数据包的首部推测出来，传输层的数据长度 = 网络层的总长度 - 网络层的首部长度 - 传输层的首部长度。占6位，目前全为0。与UDP一样，TCP检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据。伪首部占用12字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层。图片备用地址一共占6位或9位。有些资料中，TCP首部的保留（Reserved）字段占3位，标志（Flags）字段占9位。Wireshark中也是如此。是因为标志位中的前3位是无用的，所以两种说法都不能说是错的。图片备用地址图片备用地址意思：紧急。当URG=1时，紧急指针字段才有效。表明当前报文段中有紧急数据，应优先尽快传送。紧急指针存放的是长度值，表示TCP的前多少字节是需要紧急优先处理的。意思：确认。当ACK=1时，确认号字段才有效。意思：推。一般用在交互式网络中。PUSH标志位所表达的是发送方通知接收方传输层应该尽快的将这个报文段交给应用层。意思：重置。当RST=1时，表明连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接。意思：同步。当SYN=1 & ACK=0时，表明这是一个建立连接的请求。若对方同意建立连接，则回复SYN=1 & ACK=1。请求方再发送SYN=0 & ACK=1时表明开始传输数据。这也是三次握手的流程。意思：完成。表明数据已经发送完毕，要求释放连接。占4字节。首先，传输的每一个字节都会有一个编号（连续的字节编号也是连续的）。在建立连接后，序号代表这一次传给对方的TCP数据部分的第一个字节的编号。占4字节。在建立连接后，确认号代表期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第一个字节的编号。占2字节。这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）。ARQ(Automatic Repeat-reQuest), 自动重传请求。图片备用地址无差错情况A发送数据M1到B，B收到数据M1后向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续向B发送数据M2，B接收后向A发送确认信号M2。超时重传A发送数据M1到B，A在发送数据途中丢包或B发现数据M1有错误直接丢掉，导致B无法向A发送确认信号M1；A在一定时间间隔后发现没有收到B发送的确认信号M1，A会继续向B发送数据M1；B收到数据M1后向A发送确认信号M1，A收到确认信号M1后，继续向B发送M2数据。通过确认与超时重传机制实现可靠传输，在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本。分组和确认分组都必须进行编号。超时计时器的重传时间应当比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。图片备用地址确认丢失A发送数据M1到B，B接收到数据M1后，向A发送确认信号M1；B在向A发送确认信号M1中途丢包，此时A在一定时间间隔后发现没有收到B发送的确认信号M1，A会继续向B发送数据M1；B收到数据M1后会丢弃重复的数据M1（之前已经收到数据M1，只是A不知道），继续向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续开始发送M2数据。确认迟到A发送数据M1到B，B接收到数据M1后，向A发送确认信号M1；B在向A发送确认信号M1时，由于网络延迟等原因导致A在一定时间段内未收到确认信号；A会继续向B发送数据M1，B收到数据M1后丢弃重复的数据M1，并向A发送确认信号M1；A收到确认信号M1后，继续开始发送M2数据，M2数据刚发送出去，此时A刚好接收到B在第一次发送的确认信号M1，但由于之前已经成功接收并处理了第二次的确认信号M1，所以A在收到确认信号后什么也不做。出现差错或丢失的时候，发送方会将自己备份的副本再重传一次，直到收到接收的确认信息。当接收方收到重复的数据时，会直接丢弃，但是会给发送方请确认自己已经收到了。上面的停止等待协议每发送一组数据就必须等到接收方回复确认后，再发起第二组数据，如果出现超时重传的话，效率更低。因此为了提高传输的效率，改进了等待传输协议。连续ARQ协议和滑动窗口协议的机制是以接收方回复确认为单位，每次连续发送一个滑动窗口指定的数据组。图片备用地址A发送数据给B时，一次性发送M1~M4（A和B建立连接时，B告诉A自己的缓存池可以容纳多少字节数据，A根据这个缓存池的大小构建一个同大小的发送窗口–也可以理解为发送缓存池），此时A开始等待确认，B收到全部数据后会向A发送确认信号M4（以最后一个编号为准）；A收到确认信号后，继续向B发送M5 M8（A把之前构建的窗口滑动并锁定到对应大小的数据段上，即M5 M8），以此往复直到数据传输完毕。如果接收窗口最多能接收4个包（窗口大小），但发送方只发了2个包，接收方如何确定后面还有没有2个包？答案：接收方会在等待一定时间后发现没有第3个包，就会返回收到2个包的确认信号给发送方。滑动窗口是由发送方维护的类似指针的变量，在每收到一个接收方的确认消息后，该指针向前移动并发送数据，到窗口指定大小的数据组时停下，等待接收方的确认。图片备用地址累积确认机制： 发送方不对收到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。优点：容易实现，即使确认丢失也不必重传。缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。Go-back-N（回退 N）： 为了解决上述同一窗口中数据组不能完整确认的问题，连续ARQ协议采用了回退机制。比如说：发送方发送了前5个分组，而中间的第3个分组丢失了。这时接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回来重传已发送过的N个分组。结论：当通信线路质量不好时，连续ARQ协议会带来负面的影响。可能还不如传统的停止等待协议。TCP连接的每一端都必须设有两个窗口——一个发送窗口和一个接收窗口。TCP的可靠传输机制用字节的序号进行控制。TCP所有的确认都是基于序号而不是基于报文段。TCP两端的四个窗口经常处于动态变化之中。TCP连接的往返时间RTT也不是固定不变的。需要使用特定的算法估算较为合理的重传时间。滑动窗口是面向字节流的，为了方便记住每个分组的序号，现在假设有一个1200字节的数据，分12组，每一组数据是100个字节，代表一个数据段的数据（每一个数据都有自己的TCP首部），每一组给一个编号（1~12）。图片备用地址图片备用地址TCP通信时，如果发送序列中间某个数据包丢失，TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组，这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送，降低了TCP性能。SACK（Selective Acknowledgment，选择确认）技术，使TCP只重新发送丢失的包，不用发送后续所有的分组，而且提供相应机制使接收方能告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到等。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。原来首部中的“确认号字段”的用法仍然不变。只是以后在TCP报文段的首部中都增加了SACK选项，以便报告收到的不连续的字节块的边界。图片备用地址Kind：占1个字节，值为5代表这是SACK选项。Length：占1个字节，表明SACK选项一共占用多少字节。Left Edge：占4个字节，左边界。Right Edge：占4个字节，右边界。图片备用地址上图的着色模块代表已接收数据，空白代表未接收数据。左右边界意思是会把未接收完毕的TCP数据包的已接收数据进行左右标记。由于TCP的选项不能超过40个字节，去除Kind和Length占用的2个字节，还剩下38个字节给左右边界使用。一组边界占用8个字节（左右边界各占4个字节），所以边界不能超过4组。也能够因此推断出SACK选项的最大占用字节数是4 * 8 + 2 = 34。思考：超过选项边界的数据怎么办？超过边界的数据需要重新传输，但这已经很大程度提高了传输效率。重传机制是TCP中最重要和最复杂的问题之一。TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段。那么这个重传时间到底应该设置多少呢？建议跳过，有兴趣的可以去查阅相关资料。图片备用地址为什么选择在传输层就将数据分割成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层？-->网络层没有可靠传输协议，丢包无法只发送一个报文段，所以需要分割成多个段。如果在传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传如果在传输层分段了，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的那些段即可欢迎大家的意见和交流email: li_mingxie@163.com