初识TCP

Posted 2023-02-09 无赖H4

TCP -- Transmission Control Protocol

• 可靠性
• TCP报头
• 确认应答(ACK)机制
• 超时重传
• 连接管理机制
• • TCP状态转移图
  • 三次握手
  • 四次挥手
  • • TIME_WAIT状态
• 流量控制
• 拥塞控制
• TCP细节优化
• • 快重传
  • 延迟应答
  • 捎带应答
• 面向字节流
• TCP异常情况

TCP协议和UDP协议是运行在传输层的协议，也是为了结局进程间通信的问题，它相对于UDP协议而言，是一种有连接的，可靠的协议。

可靠性

为什么需要可靠性？
因为网络的不可靠，而应用层很多时候需要可靠的传输（核心）

什么是可靠性？

• 尽可能的吧数据发送给对方，不丢包
• 如果实在发送不到，至少通知应用层这个错误
• 保证数据的有序到达
• TCP保证不会收的错误的数据（只能保证无意识的错误，不能防范有意识的篡改）

TCP报头

确认应答(ACK)机制

简单理解，可以理解为TCP发送的数据是有编号的，当接收方收到数据后，有责任进行应答，将期待下一次收到的数据的第一个编号发送回来
例：

TCP(Segment）既可以当发送使用，也可以当应答使用，互相不冲突
标志位上的ACK就是含有应答的意义（==1是应答，==0不是应答，ASN无效）

超时重传

如果长时间未收到应答，可能发生什么？

• 数据包可能丢了，对方没有收到。
• 对方应答了，但应答包丢失

如果超过一定的时间，仍未收到对应应答，则将对应的数据重新进行发送

如果是应答包丢失的情况下，再次发送数据过去，接收方是否可以判断？
可以，TCP内部管理着接收数据的序号，TCP段带有序号
接下来，接收端会将数据丢弃，然后发送应答

如果超时重传后还是没有收到应答怎么办？
多次尝试（有限次数）
1、多次尝试（retry）过程中，超时时间往往越来越长
2、当多次尝试不成功，达到一定阈值时，就会停止发送，同时还会发一个Segment的充值链接，同时通知应用层，（java中会收到一个异常——SocketException：reset by remote peer）

数据编号 + 确认应答 + 超时重传 可以使得数据有序

连接管理机制

为什么需要建立连接？至少能证明对方是在线的。

在正常情况下，TCP都要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接
有了连接管理后，就只能一对一通信了，没办法广播了。

TCP状态转移图

三次握手

SYN是用作TCP段同步的意义
首先由主动连接方发起一个 SYN，别连接方收到会回复一个ACK，然后被连接方也会发送一个SYN，连接方收到回复ACK
如图：

也可以理解为：

第一次握手： A给B打电话说，你可以听到我说话吗？
第二次握手： B收到了A的信息，然后对A说： 我可以听得到你说话啊，你能听得到我说话吗？
第三次握手： A收到了B的信息，然后说可以的，我要给你发信息啦！
　在三次握手之后，A和B都能确定这么一件事： 我说的话，你能听到； 你说的话，我也能听到。 这样，就可以开始正常通信了。
　如果两次，那么B无法确定B的信息A是否能收到，所以如果B先说话，可能后面的A都收不到，会出现问题 。
　如果四次，那么就造成了浪费，因为在三次结束之后，就已经可以保证A可以给B发信息，A可以收到B的信息； B可以给A发信息，B可以收到A的信息。

四次挥手

当需要释放连接的时候，至少由一方主动发起，
主动关闭方发送FIN，被关闭方发送ACK，被关闭方发送FIN，主动关闭方发送ACK

为什么不可以三次挥手呢？

关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了

所以你未必会马上关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

可能有人会有疑问，tcp我握手的时候为何ACK(确认)和SYN(建立连接)是一起发送。挥手的时候为什么是分开的时候发送呢？

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。

但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭 SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步挥手。

简单理解四次挥手：
A:“喂，我不说了 (FIN)。”A->FIN_WAIT1
B:“我知道了(ACK)。等下，上一句还没说完。Balabala……（传输数据）”B->CLOSE_WAIT | A->FIN_WAIT2
B:”好了，说完了，我也不说了（FIN）。”B->LAST_ACK
A:”我知道了（ACK）。”A->TIME_WAIT | B->CLOSED
A等待2MSL,保证B收到了消息,否则重说一次”我知道了”,A->CLOSED
这样，通过四次挥手，可以把该说的话都说完，并且A和B都知道自己没话说了，对方也没花说了，然后就挂掉电话（断开链接）了 。

TIME_WAIT状态

TIME_WAIT这个状态出现在主动关闭方，并且持续时间是2 *MSL(Maximum Segment Live)
出现的原因：

• 最后一个ACK可能会丢失，所以需要保持一段时间
• 把停止使用的五元组闲置一段时间，保证网络上这条连接的数据全部失效，小概率可能性这个五元组又重新分配了，也保证收到数据一定是新连接
• 2 * MSL的时间，可以保证 ： 对方大概率收到了我们的ACK，网络上所有老连接的包已经失效了，即使五元组在分配，也安全了。

作为开发人员，发现服务器上出现了大量的TIME_WAIT，是不是合理的呢？对服务器有没有影响？如果有影响怎么调增代码结构？

理论上说是合理的。
会有一些影响，连接对象一直存在，关于对象关联下的一系列资源都需要保留（内存）
解决方法：避免我们主动关闭链接

CLOSE_WAIT状态。是被关闭方的状态

一般而言，对于服务器上出现大量的CLOSE_WAIT，原因是服务器没有正确的关闭socket导致四次挥手没有正确的完成，只需要加上对应的close解决问题。

流量控制

根据接收方的接受能力进行发送量控制
接收窗口：接收方告诉发送方自己当前的接收能力
发送窗口：控制发送量
滑动窗口：控制发送量过程中的过程、动作

在TCP首部的窗口大小的字段通过ACK机制通知发送端，

在TCP发送缓冲区：
例如：

拥塞控制

根据网络拥塞窗口推断出发送量的大小
根据丢包情况，反推网络拥塞情况


发送量控制 流量控制 + 拥塞控制

TCP细节优化

快重传

数据包不停地向接收方发送（不必等到收到ACK在发送下一个），接收方传递会ACK应答。如果有一个包丢了，那么应答ACK会一直发送下一个应该发送的字节头，当到达一定次数，发送方会重新发送，丢掉的包，收到后返回下一个应该发送的字节头。

延迟应答

可以每N个包应答一次，超过最大的延迟时间就应答一次

捎带应答

非sync包，理论上都可以捎带应答
在延迟应答的基础上我们发现每次发送都是 一发一收，我怕，我们的ACK可以搭顺风车。

面向字节流

TCP超时重传机制 + 发送量控制带来的副作用是:数据只能通过字节流的形式提供给对方
TCP有自己的发送缓冲区和接收缓冲区。

我们要在UDP协议上开发一个可靠的应用层协议，具体怎么做？
具有TCP的特性：
校验和、序列号、确认应答、超时重发、连接管理、流量控制、拥塞控制

TCP异常情况

1、进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN，和正常关闭一样
2、机器重启：和进程终止一样
机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接不在了，就会进行reset，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在，如果不在也会释放。

• 只要os有机会介入，os就有能力，将所有的连接进行四次挥手
• 如果是os没有机会介入的关机，主机B上的进程、连接都没有了
• 如果处于写数据（发送数据）的状态，当到达充实阈值时，会判断为连接已关闭（异常关闭），通知应用层，SocketException，需要一定时间，不能立即可知
• 如果处于读数据的状态——确实无法判定
  解决问题思路：
  1、TCP协议层面有一种KeepAlive机制(每隔一段时间，尝试发送个空数据)
  2、应用层方法：read(timeout),如果超时了，尝试写一个数据过去——>心跳包(heartbeat)