清华老师终于把TCP协议讲清楚了

Posted 2022-01-01 阿呆★

TCP协议

TCP协议的特点是：面向连接、字节流和可靠传输。

使用TCP协议通信的双方必须先建立连接，然后才能开始数据的读写。双方都必须为该连接分配必要的内核资源，以管理连接的状态和连接上数据的传输。TCP连接是全双工的，即双方的数据读写可以通过一个连接进行。完成数据交换之后，通信双方都必须断开连接以释放系统资源。

• TCP协议采用返回确认机制，即发送端发送的每个TCP报文段都必须得到接收方的应答，才认为这个TCP报文段传输成功。

• TCP协议采用超时重传机制，发送端在发送出一个TCP报文段之后启动定时器，如果在定时时间内未收到应答，它将重发该报文段。

• TCP报文段最终是以IP数据报发送的，而IP数据报到达接收端可能乱序、重复，所以TCP协议还会对接收到的TCP报文段重排、整理，再交付给应用层

TCP会将数据放到缓冲区当中，接收端应用程序可以一次性将TCP接收缓冲区中的数据全部读出，也可以分多次读取。但是UDP每发送一个数据包，接收端必须及时针对每一个UDP数据报执行读操作（通过recvfrom系统调用），否则就会丢包。

TCP头部结构

• 16位端口号（port number）：告知主机该报文段是来自哪里（源端口）以及传给哪个上层协议或应用程序（目的端口）的。进行TCP通信时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号，而服务器则使用知名服务端口号。所有知名服务使用的端口号都定义在/etc/services文件中。

• 32位序号（sequence number）：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机A和主机B进行TCP通信，A发送给B的第一个TCP报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值ISN（Initial Sequence Number，初始序号值）。那么在该传输方向上（从A到B），后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025～2048字节，那么该报文段的序号值就是ISN+1025。另外一个传输方向（从B到A）的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。

• 32位确认号（acknowledgement number）：用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。假设主机A和主机B进行TCP通信，那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号，而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之，B发送出的TCP报文段也同时携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认号。

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• 4位头部长度（header length）：标识该TCP头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大能表示15，所以TCP头部最长是60字节。

• 6位标志位包含如下几项：

  • URG标志，表示紧急指针（urgent pointer）是否有效。
  • ACK标志，表示确认号是否有效。我们称携带ACK标志的TCP报文段为确认报文段。
  • PSH标志，提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收到的数据读走，它们就会一直停留在TCP接收缓冲区中）。
  • RST标志，表示要求对方重新建立连接。我们称携带RST标志的TCP报文段为复位报文段。
  • SYN标志，表示请求建立一个连接。我们称携带SYN标志的TCP报文段为同步报文段。
  • FIN标志，表示通知对方本端要关闭连接了。我们称携带FIN标志的TCP报文段为结束报文段。

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• 16位窗口大小（window size）：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。

• 16位校验和（TCP checksum）：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。

• 16位紧急指针（urgent pointer）：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

TCP连接

TCP三次握手

1. 客户端向服务器发送一个连接请求，将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务器，等待服务器确认。
2. 服务器收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。
3. 客户端检查标志位，确认连接建立，返回数据包，ACK=1，此时已经可以携带数据

TCP四次挥手

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭

1. Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。
2. Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSE_WAIT状态。
3. Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。
4. Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手

TCP超时重传

客户端在长时间未收到响应报文时会重传报文，例如，重传时间间隔由/proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries内核变量所定义。每次重连的超时时间都增加一倍。在5次重连均失败的情况下，TCP模块放弃连接并通知应用程序。

TCP状态转移

TCP连接的任意一端在任一时刻都处于某种状态，当前状态可以通过netstat命令查看

客户端状态

客户端通过connect系统调用主动与服务器建立连接。connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段，使连接转移到SYN_SENT状态。此后，connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回：

• 如果connect连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用，则服务器将给客户端发送一个复位报文段，connect调用失败。
• 如果目标端口存在，但connect在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则connect调用失败。

connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态。

当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态。

服务器状态

服务器通过listen系统调用进入LISTEN状态，被动等待客户端连接，因此执行的是所谓的被动打开。服务器一旦监听到某个连接请求（收到同步报文段），就将该连接放入内核等待队列中，并向客户端发送带SYN标志的确认报文段。此时该连接处于SYN_RCVD状态。如果服务器成功地接收到客户端发送回的确认报文段，则该连接转移到ESTABLISHED状态。ESTABLISHED状态是连接双方能够进行双向数据传输的状态。

当客户端主动关闭连接时（通过close或shutdown系统调用向服务器发送结束报文段），服务器通过返回确认报文段使连接进入CLOSE_WAIT状态。这个状态的含义很明确：等待服务器应用程序关闭连接。通常，服务器检测到客户端关闭连接后，也会立即给客户端发送一个结束报文段来关闭连接。这将使连接转移到LAST_ACK状态，以等待客户端对结束报文段的最后一次确认。一旦确认完成，连接就彻底关闭了。

TCP拥塞控制

滑动窗口

为了解决可靠传输以及包乱序的问题，TCP 引入滑动窗口的概念。在传输过程中，client 和 server 协商接收窗口 rwnd，再结合拥塞控制窗口 cwnd 计算滑动窗口 swnd。在 Linux 内核实现中，滑动窗口 cwnd 是以包为单位，所以在计算 swnd 时需要乘上 mss（最大分段大小）。

滑动窗口包含 4 部分：

• 已收到 ack 确认的数据；
• 已发还没收到 ack 的；
• 在窗口中还没有发出的（接收方还有空间）；
• 窗口以外的数据（接收方没空间）。

滑动后的示意图如下（收到 36 的 ack，并发出了 46-51 的数据）：

拥塞控制

RTT：RTT——Round Trip Time，也就是一个数据包从发出去到回来的时间。这样发送端就大约知道需要多少的时间。

拥塞的发生是因为网络上的包太多导致路由器总是丢包，拥塞控制是快速传输的基础。TCP不能忽略网络上发生的事情，而无脑地一个劲地重发数据，对网络造成更大的伤害。对此TCP的设计理念是：TCP不是一个自私的协议，当拥塞发生的时候，要做自我牺牲。就像交通阻塞一样，每个车都应该把路让出来，而不要再去抢路了。 一个拥塞控制算法一般包括慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传算法、快速恢复算法四部分。

慢启动算法

慢启动的意思是，刚刚加入网络的连接，一点一点地提速，不要一上来就像那些特权车一样霸道地把路占满。新同学上高速还是要慢一点，不要把已经在高速上的秩序给搞乱了。

慢启动的算法如下(cwnd全称Congestion Window)：

1）连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。

2）每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升

3）每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升

4）还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”

所以，我们可以看到，如果网速很快的话，ACK也会返回得快，RTT也会短，那么，这个慢启动就一点也不慢。下图说明了这个过程。

 拥塞避免算法

前面说过，还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。一般来说ssthresh的值是65535，单位是字节，当cwnd达到这个值时后，算法如下：

1）收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2）当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法

前面我们说过，当丢包的时候，会有两种情况：

1）等到RTO超时，重传数据包。TCP认为这种情况太糟糕，反应也很强烈。

• • sshthresh =  cwnd /2
  • cwnd 重置为 1
  • 进入慢启动过程

2）Fast Retransmit算法，也就是在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时。

• • TCP Tahoe的实现和RTO超时一样。

• • TCP Reno的实现是：

    • cwnd = cwnd /2
    • sshthresh = cwnd
    • 进入快速恢复算法——Fast Recovery

上面我们可以看到RTO超时后，sshthresh会变成cwnd的一半，这意味着，如果cwnd<=sshthresh时出现的丢包，那么TCP的sshthresh就会减了一半，然后等cwnd又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，就会成慢慢的线性增涨。我们可以看到，TCP是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

快速恢复算法

TCP Reno

快速重传和快速恢复算法一般同时使用。快速恢复算法是认为，你还有3个Duplicated Acks说明网络也不那么糟糕，所以没有必要像RTO超时那么强烈。 注意，进入快速恢复算法之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

• cwnd = cwnd /2
• sshthresh = cwnd

然后，真正的Fast Recovery算法如下：

• cwnd = sshthresh  + 3 * MSS （3的意思是确认有3个数据包被收到了）
• 重传Duplicated ACKs指定的数据包
• 如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1
• 如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就进入了拥塞避免的算法了。