计算机网络——TCP 协议原理总结

野性酷女 2023-09-28 23:21 2阅读 0赞

#### 目录 ####

*  1.网络是不可靠的
 *  2.TCP 概念和特点
 *  3.可靠传输机制
 *   *  1.一问一答的方式
     *  2.流水线传输的方式
     *   *  1.回退 N 重传
         *  2.选择重传
 *  4.TCP 滑动窗口机制
 *   *  数据包序号
     *  确认号和累计确认
     *  发送机制
     *  发送窗口
     *  接收窗口
     *  窗口大小
 *  5.TCP的建立和释放
 *   *  1.建立连接-三次握手
     *  三次握手的必要性
     *   *  1.三次握手是为了确定双方的收发能力
         *  2.序号同步的确定性
         *  3.历史失效连接请求的乱序问题
         *  4.三次握手中丢包的情况
         *  5.数据传输的开始时机
         *  6.连接关闭 - 四次挥手
         *  7.挥手四次的必要性
         *  8.等待 2MSL 时间的原因
 *  6.TCP协议头
 *  7.概念知识总览

## 1.网络是不可靠的 ##

计算机网络是不可靠的，存在 **丢包、乱序、延时** 。

这是众多 TCP 协议机制的设计出发点，万恶之源，将贯穿全文。

## 2.TCP 概念和特点 ##

TCP 协议全称 `传输控制协议`， 是一种 **面向连接的、可靠的、面向字节流**的 传输层通信协议。

TCP 在 `TCP/IP 协议模型` 中位于**传输层**。  
![图 1.1 - TCP 位于 TCP/IP 分层中的传输层][1.1 - TCP _ TCP_IP]  
TCP/IP 模型中各层数据包结构的关系如下图。  
![图 1.2 - TCP/IP 模型中各层数据包结构的关系][1.2 - TCP_IP]  
TCP 协议的主要特点：

1.  **面向连接**，一对一通信。
2.  **可靠交付**：保序、不重复、不丢失。
3.  **全双工通信**：双方均可收发。
4.  和上层应用进程的交互方式是 面向字节流的。

TCP 和上层应用进程的交互方式：

1.  发送方可以发送不同大小的数据块到发送缓存。
2.  先会对发送缓存内的数据分段，打包成 TCP 数据包再发送。
3.  在接收一侧，数据包会先进入接收缓存区。
4.  当一定数量的数据包全部到达，重排、组装，以数据流方式吐给接收方。

![图 1.3 - TCP 和应用程序的交互方式][1.3 - TCP]  
虽然 TCP 是面向字节流的，但是 TCP 所处理的数据单元却是面向报文段的， 也就是本文所说的数据包。

将看到，短短 **可靠交付** 四字背后并不简单。

## 3.可靠传输机制 ##

若不止考虑 TCP 协议本身的实现，如何设计可靠的网络通信？

首先，由于 **丢包的可能性**，要实现可靠通信：

1.  发送方要知道对方接收成功，因此需要接收方回复确认 即 ACK。
2.  如果丢包发生，发送方需要重传。

一种触发重传的方式是，超时重传 （也有其他触发方法，见后续 **TCP 重传机制** ）。  
![图 2.1 - 确认和超时重传机制的几种情况][2.1 -]  
网络延时发生时，重传可能会导致重复：

1.  接收方会丢弃收到的重复数据包，但是仍然回复确认。
2.  发送方会丢弃收到的重复确认包。  
    其次，对于如何发送确认包和重传包，有两种方式。

### 1.一问一答的方式 ###

也叫做 **停止并等待 ARQ 协议**， 是指 发送方等到接收方的确认包后，再发下一个数据包 。

类似乒乓方式，具体来说：

1.  如果时限内收到对方确认，才发送下一个数据包。
2.  否则，重传当前数据包。  
    ![图 2.2 - 一问一答的方式][2.2 -]  
    可以看到这种方式下，发送方大部分时间在等待，效率非常低。

### 2.流水线传输的方式 ###

叫做 **连续 ARQ 协议** , 是指 发送方会连续发送一组数据包，同时等待这些数据包的确认 。  
具体来说：

1.  发送方发送一批数据包。
2.  同步地接收对方的确认包。

简单来说， 发送方不闲着，一边发送，一边等回复 。  
![图 2.3 - 流水线传输的方式][2.3 -]  
可以看到这种方式相对一问一答的方式，效率要高。

如果发生丢包或延时，需要重传，有两种方式：

#### 1.回退 N 重传 ####

发送方每发送一个数据包，都会发起一个定时器。

一旦一个某个定时器触发，就会重传。

发送指针回退到未拿到确认的数据包处，以实现重传。

![图 2.4 - 回退 N 重传的方式][2.4 - _ N]  
可以看到，此方法下， 会重传后面所有的数据包。

#### 2.选择重传 ####

同样，每发送一个数据包，都会发起一个定时器。

不同点仅在于， 只重传未拿到确认的数据包，不回退发送指针。  
![图 2.5 - 选择重传的方式][2.5 -]  
综合以上，得出的结论是，不考虑 TCP 协议的具体实现的话， 要实现可靠的网络通信，需要依赖确认和重传机制， 并且一个好的办法是采用**流水线传输**的方式。

而流水线传输方式，正是下一个部分 TCP 协议中的 **滑动窗口机制** 的引子。

## 4.TCP 滑动窗口机制 ##

滑动窗口机制是 TCP 协议的精髓所在，它是 TCP 协议设计的基本框架 。

滑动窗口机制就是 **流水线传输方式** 在 TCP 协议中的细化设计， 发送方一边连续地发送数据包，一边等待接收方的确认。

滑动窗口分为两种：**发送窗口** 和 **接收窗口**。

由于 TCP 是全双工的， 所以通信的每一端都会同时维护两种窗口 。

### 数据包序号 ###

在 **可靠传输的基础机制** 中， 接收的数据包可能是重复的、乱序的，因此 TCP 会对每一个数据包进行唯一标号， 叫做数据包的序号。

数据包的序号是 `TCP 协议头` 中的一个 **32** 比特大小的整数字段。

每次发送一个包，这个序号就会增加一。

TCP 是全双工的，两个通信端各自维护自己的序号。

因为 **网络延时不可控**， 如果两次连接建立时差很短、或者连接重建后老连接的数据包延迟到达， 会造成序号冲突。

所以，序号并非由固定数字初始化。可以综合时间、随机数来生成等。

### 确认号和累计确认 ###

在 TCP 中，一个用以确认的回复包，会有确认号。

如果一个数据包同时也是一个确认包，那么它也会有确认号。

一个序号为 **SEQ** 的数据包，其确认包的确认号会是 **SEQ+1** 。

同样，确认号也是 `TCP 协议头` 中的一个 **32** 比特大小的整数字段。

可以理解为，接收方已收到序号为 **SEQ** 的数据包，期待发送方下一次给 **SEQ+1** 的包。

更广义的理解是， **确认号是接收方期望对方发送的下一个包的序号** 。

下图中，发送方连续发送一组包，如果中间有丢包， 接收方则期待序号最小的丢失的包。当重传成功后， 接收方仍然期待下一个未拿到的数据包：  
![图 3.1 - 接收方的确认号][3.1 -]  
接收方所期待的是序号最小的没拿到的数据包 。

这种确认号的机制，即可实现累计确认机制：

接收方确认了标号为 **SEQ** 的数据包， 即代表确认了所有小于 **SEQ** 的数据包， 此时接收方给的确认号是 **SEQ+1** 。  
![图 3.2 - 累计确认机制][3.2 -]

累计确认其实是一种批量确认的机制，以减少确认包的数量。

此外，如果接收方恰好需要发送数据，确认号可以直接标在数据包上，即捎带确认。

一个问题是，如何控制累计确认的时机？

TCP 协议中的 `Nagle` 算法 给出的办法是 **延迟确认**。

其大概的原理是，未确认的包达到一定量、或者达到一个时间阈值，才回复一次确认。

所以说， 在默认的 TCP 协议中，确认不是立即回复的，而是延迟的 。

不过，接收方的延迟确认不应该过分延迟，否则会造成发送方的重传，浪费网络资源。

可以设置 `TCP_NODELAY` 选项 来禁用 Nagle 算法。

TCP 的累计确认机制，是累计确认和延迟确认两个策略的综合。

此外，TCP 协议还有另外一种确认机制，叫做 **选择确认机制** ，将会后面讲到。

### 发送机制 ###

已经讲过，TCP 协议默认的 `Nagle` 算法 采用了延迟确认的方法。

对应的，发送的时机如何确定？

办法是类似的，大概是，未发送的包达到一定量、或者达到一个时间阈值，才发送一次。  
![图 3.2.1 - Nagle 算法的发送机制][3.2.1 - Nagle]  
TCP 的发送机制，是累计发送和延迟发送两个策略的综合。

同样可以设置 `TCP_NODELAY` 选项 来关闭延迟发送的行为。

### 发送窗口 ###

发送窗口的示意图如下，当收到对方的累计确认后，则向右滑动。  
![在这里插入图片描述][0dd6322975754cf6975231828a7defe4.png]  
注意的是 **窗口大小** 是有限的（稍后将讨论它的受限情况）， 发送方只能发送窗口内的数据包 。

### 接收窗口 ###

接收窗口的示意图如下，当回复对方确认后，则向右滑动。  
![在这里插入图片描述][13b683d816784b19aa90738911d66247.png]  
仍需注意 **窗口大小** 是有限的（稍后将讨论它的受限情况）， 接收方只能接收窗口内的数据包 。

由于 **网络数据包是乱序**的 ， 所以接收后的数据包会按照序号重新排序，才可以交付给应用程序。

### 窗口大小 ###

窗口的大小是受限的，也是动态的 。

窗口大小是 `TCP 协议头` 中的一个 **16** 比特大小的整数字段。

首先，显然 接收窗口受限于接收缓存区的大小， 发送窗口受限于发送缓存区的大小 。

其次指出， 发送窗口大小也受限于接收窗口大小 。

这其实比较容易理解，发送方是生产者，接收方是消费者， 如果生产速度快而消费速度慢，则会导致接收方来不及接收。  
![在这里插入图片描述][c8cb66897f0c4ceb8627b30c29750299.png]  
所以，**发送方只能发送窗口内的数据包** 。

其实，这就是 **流量控制机制** ： 由接收方控制的、调节发送方生产速度的机制 ， 其具体的实现方式，就是在回复时设置 `TCP 协议头` 中的窗口大小字段。

窗口的大小也是动态变化的， 因为两端接收和发送能力是动态变化的 ：

1.  接收能力的变化导致窗口大小的变化，即后面所讲的 **TCP 流量控制机制**。
2.  发送能力的变化导致窗口大小的变化，即后面所讲的 **TCP 拥塞控制机制**。  
    可以看到，滑动窗口的大小是一个贯穿式的重要概念。

但是，如果窗口要缩小，窗口的前沿是不可以向前收缩的。

窗口收缩的方法则是，慢慢地，随着已发送的数据包得到确认， 保持窗口前沿不动，前移窗口后沿。  
![在这里插入图片描述][f4e22a24555c43178b7486e7013ad5ca.png]  
因此， 发送窗口也并不总和接收窗口一样大 。

窗口大小的初始化，是在 **连接建立** 过程中两端协商确定的， 在后续的传输阶段，它会因主动或被动的原因而动态变化。

## 5.TCP的建立和释放 ##

### 1.建立连接-三次握手 ###

首先，TCP 连接建立过程要解决的问题：

1.  确定双方都可以正常收发 TCP 数据包。
2.  双方协商一些参数和可选项（例如前面所讲的 **选择确认 、窗口大小** 等）， 尤其是交换初始序号。
3.  对资源进行分配，比如缓存区、端口号。

下面是 TCP 协议三次握手建立连接的过程示意图，其中

1.  **SYN**（synchronous） 是同步标志位 ，表示开始传输数据的意思。
2.  **ACK**（acknowledgement） 是确认标志位，表示是否启用确认机制。
3.  **ack**（小写）是前面所说的 确认号。
4.  **seq** 是前面所说的 序号 。
5.  ![在这里插入图片描述][eee211eb780c460185cab7951a300e05.png]

具体过程的描述如下：

1.  **客户端发送一个 TCP 数据包，主动发起连接。**

设置 SYN=1 标志位，表示发起连接，想要传输数据。

客户端初始化自己的数据包序号 seq=x ，一同发送给对方。

1.  **服务端收到对方的连接请求，回复对方确认包。**

设置回复标志位 ACK=1 ，表示确认。

根据 确认号的规则， 同时设 ack=x+1 表示期待对方下一次发过来的数据包序号为 x+1。

因为 TCP 是全双工的，服务端也会设置 SYN=1 ， 并初始化自己的数据包序号 seq=y ，捎带回复给客户端。

此时，服务端可以确定： 客户端可以发送 TCP 数据包，自身可以接收 TCP 数据包 。

1.  **客户端收到对方的确认包，并回复对方确认。**

同样，设置回复标志位 ACK=1，表示确认。

对方的序号是 y ， 回复对方 ack=y+1 表示期待对方下一次发来的数据包序号为 y+1 。

同时，自身的数据包序号需要自增 seq=x+1 。

自己发送上一个数据包，对方收到了，并且收到了对方回复。

所以客户端可以确定： 服务端可以正常收发 TCP 数据包， 自身也可以正常收发 TCP 数据包 。

1.  **服务端收到客户端的确认，三次握手结束**。

此时服务端可以进一步确定：

客户端端可以正常接收 TCP 数据包， 自身也可以正常发送 TCP 数据包 。

三次握手结束后，双方都可以确定对方是可以正常收发 TCP 数据的。  
![在这里插入图片描述][235881be7f87448ba72e7f4eef1717ea.png]

### 三次握手的必要性 ###

一个经常出现的问题是： 两次握手可以吗？

当然是不可以的，可以分几个方面解释：

#### 1.三次握手是为了确定双方的收发能力 ####

如果缺少最后一次 ACK 的话，服务端就无法知道客户端是否可以接收 TCP 数据， 也无法知道自己的发送是否成功，就无法做到可靠传输。

#### 2.序号同步的确定性 ####

如果缺少最后一次 **ACK** 的话，服务端就无法确定对方有无收到自己的初始序号。

前面讲到，数据包的序号是 TCP 滑动窗口机制的基本字段，它如果是不可靠的， 后续的确认机制、重传机制等都无从谈起。

网络是不可靠的，存在丢包，所以连接建立时， 双方都必须确定初始序号交到了对方手中。

三次握手过程，也是可靠地交换初始序号的过程 。  
![在这里插入图片描述][8a1554830cd24dd1aa77dabbca24495c.png]

#### 3.历史失效连接请求的乱序问题 ####

网络中，数据传输可能存在延迟、乱序。

如果一个老的失效的连接请求，延迟到达服务端，倘若缺少第三次握手， 服务端会建立一条新连接，直接进入 **ESTABLISHED** 状态。

客户端收到服务端的回复包时，可以根据序号是否过期判断是否是失效连接。

在三次握手的情况下，客户端就进一步可以发送 **RST** 标志，终止连接。

如果不是历史失效连接，客户端则发送 **ACK** 标志，正常建立连接。

#### 4.三次握手中丢包的情况 ####

另一个常见的问题是： **如果第三次 ACK 丢包呢？**

无论哪一次通信发生丢包或延迟，都出发 TCP 的 **重传机制** 。

简单说，再发一次，如果达到一定次数，则放弃连接。

对于第三次 **ACK** 丢包的情况，重试一定次数后，服务端会关闭连接，回收资源。

不过，服务端单方面关闭连接，客户端并不知晓，它认为连接已经建立。

如果客户端向服务端发送数据，会被服务端打回 **RST** 报文， 借此客户端可知道连接失效。  
![在这里插入图片描述][15ad721bc12f48b2becb69ac5f0edac8.png]

#### 5.数据传输的开始时机 ####

上面的 **三次握手图示** 中，一个细节是：

1.  客户端在两次握手之后就进入了 **ESTABLISHED** 状态。
2.  服务端则是在三次握手之后才进入 **ESTABLISHED** 状态。  
    其原因在于， 在 **第二次握手** 后， 客户端已经可以确定双方都可以正常收发数据包 。

所以，客户端可以提前进入 **ESTABLISHED** 状态，分配端口，开始通信。

因此， 第三次 **ACK** 是可以捎带客户端的数据一并发送的 。

服务端直到 **第三次握手** 成功之后，才可以确定双方都正常， 所以它会稍晚进入 **ESTABLISHED**。

#### 6.连接关闭 - 四次挥手 ####

TCP 的连接释放过程，需要注意两个点：

1.  TCP 是全双工的。
2.  双方都可以主动释放连接。  
    释放连接的过程有一个重要的目的：

双方都要确定地知道对方不再发送数据了，连接才正式关闭 。

假设客户端主动关闭，下面是 TCP 协议四次挥手释放连接的过程示意图。

其中 **FIN**（finish）是结束数据传输的标志位。  
![在这里插入图片描述][92bad78d2a84434e8f46f2394a5410ae.png]  
具体过程的描述如下：

1.  **客户端发送 FIN 数据包，不再发送数据。**

设置 FIN=1 标志位，表示想要关闭连接，不再发送数据。

但是，此时服务端还可以继续发送数据 。

1.  **服务端收到 FIN 数据包，回复确认 。**

服务端对于 FIN 包也会进行确认。

此时服务端明确知道，客户端不再发送数据了 。

1.  **服务端传输完剩余数据 。**

由于 TCP 是全双工的， 连接关闭由客户端主动发起，并不意味着服务端的数据已传输完。

1.  **服务端需要把剩余数据传输完毕。**

此时服务端知道，双方都不再发送数据了。 。

服务端发送 FIN 数据包，不再发送数据包 。

同样，设置 FIN=1 标志位，表示服务端不再发送数据。

1.  **客户端收到对方 FIN 包后，回复确认 。**

任何一方结束数据发送，都要确保对方是知道的，就需要对方确认。

此时客户端知道，双方都不再发送数据了。

1.  **客户端等待 2MSL 时间等待后，四次挥手结束，释放所有资源**

再次明确， FIN 标志位的意思是，不再发送数据 。

#### 7.挥手四次的必要性 ####

双方都必须对 **FIN** 包做确认， 这样对方才可以确定地知道自己不再发送数据。

TCP 连接的建立需要三次握手，是因为， 第二次握手过程服务端将设置 **SYN** 和 **ACK** 合并为一个数据包发送，所以是三次 。

而对于释放连接的情况， 无法将第二次和第三次合并， 因为中间还要传输数据， 所以是四次。

如果任何一个确认包发生丢包或延迟，主动设置 **FIN** 的一方会触发重传。

#### 8.等待 2MSL 时间的原因 ####

首先，**MSL** 是指报文在网络中最大生存时间。

**2MSL** 就是两倍的 **MSL** ，也被叫做 **TIME\_WAIT** 时间， 在 linux 中常被设置为 **2\*60s** 。

**2MSL** 的值一定需要大于重传超时阈值 。

为何要等待这么长时间呢？

1.  **如果最后一次 ACK 丢包呢？**

前面有说过，任何一方的 FIN 包丢失后，如果超时未收到对方确认， 就会触发重传。  
![在这里插入图片描述][1511656b4f934eeeb4b664f54c801b8d.png]  
  如果客户端在一定时间内未收到服务端的 **FIN** 包重传，说明对方已经收到 **ACK** 。

否则，如果收到服务端的 **FIN** 包重传，自然回复 **ACK**。

一次 **ACK** 包的发送时间，再算上重传 **FIN** 的时间，所以叫做 **2MSL** 。

不过，无论如何，**2MSL** 时间至少要比重传超时阈值长。  
2. **防止新老连接数据包混乱**  
  如果立即释放端口资源，此端口可能被一个新连接立即使用。

如此的话，假设网络中存在老数据包的延迟，那么老数据包会被新连接接收，造成混乱。

所以， 等待一定时间，使得网络中潜在的、可能延迟传输的数据包悉数殆尽， 才不会影响到后面的连接。

综合来看，还是因为网络是不可靠的。

## 6.TCP协议头 ##

![在这里插入图片描述][3f0d69bc780c4ef59c313d1a432bcdb3.png]

## 7.概念知识总览 ##

![在这里插入图片描述][fdb26cbe83c14104ae03092f2819117b.png]

[1.1 - TCP _ TCP_IP]: https://img-blog.csdnimg.cn/3d48718751cc4b709c966dd6a41f6f03.png
[1.2 - TCP_IP]: https://img-blog.csdnimg.cn/d2570a6b4f8541cbb11fd36b0f42c394.png
[1.3 - TCP]: https://img-blog.csdnimg.cn/b783375e09734c9aa1a2d8ee217189f9.png
[2.1 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/7abfbda9917f4b39b39bce3b873fc17d.png
[2.2 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/9455ce45cece48b785235cc1c490eee8.png
[2.3 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/8cea91f51fcd4880a7050457d18f5560.png
[2.4 - _ N]: https://img-blog.csdnimg.cn/12d117eb1be241edbdff7f768b16b4f2.png
[2.5 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/1b76cb0d2c184e6fac21a9d308622005.png
[3.1 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/6a8ff4714d4441d7919d783a40cfecfe.png
[3.2 -]: https://img-blog.csdnimg.cn/c404558f2d3447c8b4138bf14cf80036.png
[3.2.1 - Nagle]: https://img-blog.csdnimg.cn/8ce8df91e5f0489f9d4596587ae01ed5.png
[0dd6322975754cf6975231828a7defe4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0dd6322975754cf6975231828a7defe4.png
[13b683d816784b19aa90738911d66247.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/13b683d816784b19aa90738911d66247.png
[c8cb66897f0c4ceb8627b30c29750299.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/c8cb66897f0c4ceb8627b30c29750299.png
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