TCP 原理

Posted 2021-01-11 shiqi17

一、分组交换网络

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• 古老的电话通信，一根电缆，两个用户设备通信
  

• 计算机中的两个设备节点通信：分组网络
  

计算机网络采取分组交换技术，意思就是我有【一块数据】要发给对方，那我会把这【一块数据】分成N份【单位数据】，分别发出去，而每份【单位数据】走哪条路是不一定的，但是这些【单位数据】总要全部达到对方手里，对方再根据【单位数据】里记录的序号拼接起来，组成完整的【一块数据】。这就是分组的意思所在。

基本TCP通信原理就这样

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二、TCP数据报

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1. 端口号：用来标识同一台计算机的不同的应用进程。
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   1）源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
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   2）目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
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   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。

2. 序号和确认号：是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。

3. 数据偏移／首部长度：4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。

4. 保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置0。

5. 控制位：URG ACK PSH RST SYN FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
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   1）URG：紧急指针标志，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
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   2）ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
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   3）PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
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   4）RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
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   5）SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。
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   6）FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。

6. 窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。

7. 校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

8. 紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

9. 选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。

10. 数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

参考文章：请点击

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三、TCP的可靠原理

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UDP为不可靠数据服务，不保证数据报能到达对方，可能丢包；而TCP的可靠是相对UDP的，另外处于传输层之下的IP层也是不可靠的，仅提供尽力而为的端到端数据传输服务（best-effort delivery service），不作任何保证。所以TCP的可靠性是指基于不可靠的IP层在传输层提供可靠的数据传输服务，主要是指传输数据不会损坏或丢失，而且所有数据都是按照发送顺序进行传送。实现TCP的可靠传输有以下机制：

1. 校验和（校验数据是否损坏）

2. 定时器（分组丢失则重传）

3. 序号（用于检测丢失的分组和冗余的分组）

4. 确认（接收方告知发送方正确接收分组以及期望的下一个分组）

5. 否定确认（接收方通知发送方未被正确接收的分组）

6. 窗口和流水线（用于增加信道的吞吐量）

至于数据是否在中途被修改或者被窃听，这应该是属于安全性问题。提高安全性最根本的办法就是加密数据，比如远程登录用ssh而非telnet。

TCP只能保证数据的完整性，不能保证安全性
要保证安全性只能依靠：MD5/SHA 的哈希算法，进行数字签名。

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3.2 数据校验和重传

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每个Tcp连接在内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。tcp协议要求对方在接受到tcp数据报之后，要对其该数据包序号进行ACK应答（ack=该数据包序号），只有当接受到一个tcp数据报的ACK之后，才可以把这个tcp数据报从socket的发送缓冲区清除，另外tcp还有一个流量控制功能，tcp的socket接受缓冲区接受到网络上来的数据缓存起来后，如果应用程序一直没有读取，

socket接收缓冲区满了之后，发生的动作是：通知对端TCP协议中的窗口关闭，这便是滑动窗口的实现，保证TCP socket接收缓冲区不会溢出，因为对方不允许发送超过所通知窗口大小的数据， 这就是TCP的流量控制，如果对方无视窗口大小而发出了超过窗口大小的数据，则接收方TCP将丢弃它。这两点保证了tcp是可靠传输的。

也可以这么回答

1. 对数据块分包序号，编号。确保完整

2. 接收端确认和重传机制，对每个数据包都要 ACK=该包序号，确认收到

3. 数据校验，对数据长度简单校验，无法确保安全，只能确保可靠

4. 流量控制

5. 拥塞控制

重传可能原因：
1.、在中间节点丢了。2、还在路上，走的慢。3、接收端的ACK确认报文在传输中途丢失。 4、接收端异常未响应ACK或被接收端丢弃

重传原理参考本文

重传原理参考本2

两次duplicated ACK肯定是乱序造成的！
丢包肯定会造成三次duplicated ACK!

假定通信双方如下，A发送4个TCP Segment 给B，编号如下，N-1成功到达，因为A收到B的
ACK(N)，其它按照到达顺序，分别收到ACK(N)的数目：
A ---------> B

A方发送顺序N-1，N，N+1，N+2

B方到达顺序

N-1，N，N+1，N+2 
A收到1个ACK (N)

N-1，N，N+2，N+1 
A收到1个ACK (N)

N-1，N+1，N，N+2   （接收方乱序）
A收到2个ACK (N)

N-1，N+1，N+2，N 
A收到3个ACK (N)

N-1，N+2，N，N+1 
A收到2个ACK (N)

N-1，N+2，N+1，N 
A收到3个ACK (N)

如果N丢了，没有到达B

N-1，N+1，N+2
A收到3个ACK (N)

N-1，N+2，N+1 
A收到3个ACK (N)

TCP segment 乱序 有2/5 = 40% 的概率会造成A收到三次 duplicated ACK(N);
而如果N丢了，则会100%概率A会收到三次duplicated ACK(N);

基于以上的统计，当A接收到三次 duplicated ACK(N)启动 Fast Retransmit 算法是合理的，即立
马retransmit N，可以起到Fast Recovery的功效，快速修复一个丢包对TCP管道的恶劣影响。

而如果A接收到二次 duplicated ACK(N)，则一定说明是乱序造成的，即然是乱序，说明 数据都到
达了B，B的TCP负责重新排序而已，没有必要A再来启动Fast Retransmit算法

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UDP 不可靠原理（丢包原理之一）

UDP只有一个socket接收缓冲区，没有socket发送缓冲区，即只要有数据就发，不管对方是否可以正确接受。而在对方的socket接受缓冲区满了之后，新来的数据报无法进入到socket接受缓冲区，此数据报就会被丢弃，udp是没有流量控制的，故UDP的数据传输是不可靠的。