TCP协议详解

更新时间：2020-06-23

一、认识传输层
TCP协议工作在传输层，是与UDP协议齐名的传输控制协议，让我们一起来了解她的前生今世。

首先讲一下传输层是什么东西。

传输层位于TCP/IP五层协议模型中，应用层和网络层之家，应用层就是我们能用真切看到的一些应用程序，随着互联网的出现，计算机之间可以使用它进行沟通了，那么问题来了，不同计算机之间怎么沟通成了一个急需解决的问题，ISO提出了七层通信模型，但是由于太复杂被弃用，现在被人们广泛使用的是TCP/IP五层协议模型。一次通信就像是一次寄快递的过程，包裹上必须有，发信人地址，电话，收信人地址电话，在网络通信中还加了一层关系那就是传输协议，就比如你用的是特快还是普通快递。说白了，就是决定这一次通信的传输方式的。

二、清楚了传输层，我们来看一下它提供的TCP协议。
总的来说TCP协议是：面向连接、可靠传输提供字节流服务。那么他到底是怎么样实现功能的呢？

1、通过序号和确认序号提高可靠性
就像我们平时打电话一样，对方说一句话呢你嗯一下，对方就知道你听见了，要是很久没有回应，对方就要重新说这句话啦，在计算机的世界，所有的东西都使用数字来表示，包括两个计算机之间“通电话”。

如上图所示，确认应答就是告诉对方，之前的数据我收到了，发以我说的序号开始的数据吧。

但是上面这种完美的场景在网络通信中是不现实的，伴随着网络延时，以及其他各种网络问题，会产生比如接收端收不到数据，接收端就会在特定的时间段以后重发确认应答数，当然如果确认应答不能够迅速到达，发送端会在特定的时间段之后重发之前的数据，这就会造成流量资源的浪费。要解决上面出现的问题，智慧的工程师们想出了很多基于序列号的解决方案。

什么是序列号？
序列号是按顺序给要发送的数据按每一个字节（八位一个字节）编号，接收端查询接收数据TCP首部中的序列号和数据的长度，将自己下一步应该接收的序号作为确认应答返送回去，这样子通过序列号和确认应答号，TCP可以实现可靠传输。

重发超时如何确定？
在BSD的Unix和Windows系统中，超时时间都是以0.5秒为单位进行控制，因此超时等待时间都是0.5秒的整数倍，最初数据包还不知道往返时间，因此超时重发时间都在6秒左右。

数据被重发之后若还收不到确认应答，则进行再次发送，此时，等待确认应答的时间将会以2被或者4倍的指数函数延长。达到一定的重发次数之后，仍然没有应答，就会认为网络或者对端主机发生异常，强制关闭连接，通知应用程序通信异常。

有了序号之后，TCP可以通过窗口控制提高速度

一次发送一次应答的方式显然不够迅速，为了解决这个问题，TCP引入了窗口的概念，即使在应答时间较短的情况下，他也能控制网络性能的下降。应答不再是每一个分段，而是以更大的单位进行确认，发送端发送一个段之后不需要等待应答，而是继续发送。

窗口的大小就是无需等待应答而可以继续发送数据的最大值，实现这个机制使用了大量的缓冲区，实现对多个段同时进行应答的功能。（窗口的大小是在三次握手的时候协商MSS（最大报文长度）窗口的大小取决于接收方接收缓冲区剩余空间的大小）

以上功能有一个名称叫做滑动窗口机制。

如上图就是一次窗口滑动的过程，在收到在窗口内部数据的确认应答序号之后，窗口就会向前滑动至收到的确认应答处，缓冲区之前的数据就可以被清除，接收端窗口之前已经收到的数据 就可以被操作系统读取。

接下里分析一下窗口前后沿滑动的情况。

发送方维护一个窗口前沿和后沿，和一个当前发送位置的指针来维护一个窗口。

接收方根据接收缓冲区剩余空间的大小决定窗口的前后沿。

    a、发送方前沿移动：取决于接收到的窗口大小

    b、发送方后沿的移动：取决于接收到得确认应答号。

    c、接收方前沿的移动：缓冲区剩余空间的大小

    d、接收方后沿的移动：是否收到后沿的数据。

当后沿到了前沿：

对于发送方：窗口为0，并且发出去的数据都收到了确认应答。

对于发送方：接收缓冲区已满。

接收方收到了第二条数据但是没有收到一条数据：

接收方后沿不会移动，因为后沿标志着前面已经确认收到的数据。

窗口控制与重发控制
在使用窗口的过程中，如果出现了丢失怎么办？

如果发送端的数据丢失，接收端就会重复发送同一个确认应答序号，当接收端收到三次相同的确认应答就会认为，此段数据丢失，重发这段数据。

如果接收端的确认应答数据丢失，如果一个小的序列号丢失了，但是收到了大的序列号，就会认为大的序列号之前的所有数据都被收到，要是什么确认应答都收不到，则会重发窗口内的数据，这里面可能会涉及到拥塞控制：发送方维护一个拥塞窗口，以慢启动快增长的形式发送数据。

连续三次收到同一个确认应答发送数据也叫快速重传服务。

流控制：
发送方相对而言是一个比较轻松的活，接收方接收端接收到数据之后会进行处理，或者接收端干的不止接收数据一件事情，有时出现接收端不能接受数据的情况，那么流量就会被浪费，因此，在确认应答包里，会有一个给发送端设定窗口大小的字段，通过发送方的窗口大小决定发送端的发送快慢。

拥塞控制：
计算机网络都处在一个共享的环境，因此也有可能因为其他主机之间的通信使得网络拥堵，出现网络拥堵时极有可能因为出现一个较大量的数据而是网络瘫痪。

tcp为了防止这种情况，在通信一开始就会通过个叫做慢启动的算得出的数值，对发送数据量进行控制。

2、tcp的面向连接：
tcp通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，我们来详细看一下，

tcp的协议格式：

数据偏移：这个子段表明tcp所传输的数据应该是从哪个部分开始计算的，如果没有选项数据的话，一般是5 单位字节，表示从TCP包0的位置偏移5个字节的数据，就是TCP传输的数据。
控制位：
CWR：与后面ECE都用于IP首部的ECN字段，ECE标志为1 时，则通知对方已将拥塞窗口缩小
ECE：置位1会通知通信对方，从对方这边到这边的网络有拥塞，在收到数据包的IP首部中ECN为1时将TCP首部中的ECE置位1
URG：为1 时表示有紧急数据要处理。
ACK：为1时，表示确认应答子段有效，TCP规定除了建立连接时的SYN包之外，其他的必须置为1
PSH：为1时，需要将收到的数据立即传给上层协议，为0时，数据先进入缓存
RST：为1时，TCP连接有异常，必须强制断开连接
SYN：用于建立连接，为1时表示希望建立连接，
FIN：为1时，表示不再有数据发送，希望断开连接，但是只表示没有数据发送，不表示不接受数据，也不表示立即断开连接。
窗口大小：

用于发送方向接收方，发送窗口大小，或者接收方发送窗口探测包。

TCP和UDP的校验相似，区别在于TCP的校验和无法关闭。

详解TCP三次握手和四次挥手：

TCP是有状态的连接管理，如图所示：

客户端socket在建立连接时，向服务端发送SYN（syn=j）请求，此时状态为STN_SEND，等待服务器接收，

服务器收到之后，发送连接请求SYN+ACK（syn=k，ack=j+1），状态为SYN_RECV

客户端收到后，发送ACK（ack=k+1），状态为ESTABLISHED，收到ACK后服务端状态也设为ESTABLISHED。

为什么是三次握手不是四次或者两次？一次可靠的通信必须满足一下关系。

cli    srv
自己能发送数据       第一次握手    自己能发送数据      第二次握手
对方能发送数据      第二次握手    对方能发送数据      第二次握手
自己能接收数据      第二次握手    自己能接收数据       第二次握手
对方能接收数据      第二次握手    对方能接收数据
可以看到两次握手，服务端不知道对方到底能不能接收数据，所以还需要三次握手，对方给应答，三次能完成的事，为什么要四次呢。

四次挥手断开连接，从三次握手建立连接看到，三次握手就可以建立可靠的通信，为什么断开要四次呢？

考虑如果三次，那么就将ACK和FIN和在一起发送，这样会出现一系列的问题，FIN包表示我想关闭连接，而且只是关闭写端表示不再发送数据，如果服务端收到FIN就回应FIN和ACK，如果数据没有完全接收完，就让发送端关闭，这是不合理的。

应该在服务端确认不再需要接收数据，即自己不再读数据了，才能给发送端发送FIN包。所以是四次，其实这是常理问题，不属于技术问题。^_^

断开连接的过程图里面表述的很清楚不再赘述了，提几个问题吧？

a、FIN包发送方为什么在接收最后一个ACK，没有立即断开连接进入SLOSED状态，而是进入TIME_WAIT等待2个MSL？

1、立即进入CLOSED可能会带来危险，如果这个ACK包丢了，对方过了超时等待时间，重新发送FIN包，此时如果系统以相同的地址重新建立连接，突然收到FIN包是不合理的，或者新连接的SYN给对方后，对方正处在LSAT_ACK，收到SYN会 认为连接出错，会发送RST重新建立连接。因此主动关闭方要等待2个MSL处理可能重传的FIN包。

等待2个MSL是要将本次连接的所有数据都消失在网络中。

b、三次握手失败了怎么办？

1、SYN没有到达，此时对srv是没有影响的

2、srv发送了SYN和ACK但是收不到ACK，等待超时后，释放当前这个套接字，发送RST重新建立连接。

c、服务端出现大量的CLOSE_WAIT是什么原因？

在ACK确认之后，等待程序调用close或者shutdown(SHUT_WR),以便发送FIN包，这属于程序上的漏洞，没有释放资源。

d、服务器上出现大量TIME_WAIT？

这个状态出现在发送完最后一个ACK之后，由于服务器大量主动的关闭连接，解决方案：设置MSL时长短一点。

总结：
可靠传输

    实现机制：面向连接、确认应答、超时重传、序号与确认序号、 校验和

    避免丢包

        发送过快：滑动窗口机制：通过窗口大小子段，实现滑动窗口机制，进行流量控制。

        网络不好：拥塞控制：发送方维护一个拥塞窗口，以慢启动块增长的形式发送数据。

    提高性能

        快速重传、捎带应答、延时应答    

字节流传输的缺点：粘包->解决方案：特殊字符、数据定长、应用层头部中定义数据长度
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