TCP/IP简记

Posted 2021-02-18 formercoding

作为一个非科班的前端er，计算机网络基础和原理方面一直都是自己比较薄弱的环节，最近学习了一些相关的知识便记录一下。

简介

tcp/ip：我们通常所说的tcp/ip协议，指的是以TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）为核心的TCP/IP协议族。TCP/IP也称互联网协议，是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为互联网的基础通信架构。

计算机网络体系结构的分层

根据不同的模型，我们将计算机网络中的协议分为不同的层级。最常见的有OSI七层参考模型和TCP/IP四层模型。

数据的传输

互联网协议规定了数据（包）的发送从上层到下层，每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，在这个首部中包含了该层必要的信息，明确标明了协议应该如何读取数据。

数据的接收则从下层到上层，每个分层中，都会对接收的数据进行处理，根据包首部，了解该协议的必要信息以及要处理的数据。

下图以用户a向用户b发送邮件为例子：

TCP连接中的三次握手与四次挥手

TCP提供面向有连接的通信传输。面向有连接是指在数据通信开始之前先做好两端间的准备工作。

三次握手

所谓三次握手是指建立一个TCP连接时需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

• 第一次握手：客户端将标志位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端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

• 第二次握手：服务器端接收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务端将标志位SYN和ACK都设置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

• 第三次握手：客户端接收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，
  ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器之间可以开始传输数据了。

四次挥手

四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务器端总共发送四个数据包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。

由于TCP连接是双工的，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来终止这以方向的连接，收到一个FIN知识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。

• 中断连接可以是客户端，也可以是服务端

• 第一次挥手：客户端发送一个FIN=M，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。意思是我（客户端）没有数据要发给你了，但如果你服务端还有数据没有发送完成，则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。

• 第二次挥手：服务端接收到FIN后，先发送ack=M+1，告诉客户端，你的请求我收到了，但我还没准备好，请你继续等待我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2状态，继续等待服务器端的FIN报文。

• 第三次挥手：当服务端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=N报文，告诉客户端我这边的数据已经发完了，准备好关闭连接了。服务端进入LAST_ACK状态。

• 第四次挥手：客户端收到FIN=N报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务端不知道要关闭，所以发送ack=N+1进入TIME_WAIT状态，如果server端没有收到ACK则可以重传。服务端接收到ACK后，就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有得到回复，则证明服务端已正常关闭，那好，我客户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。

实际上还可能会出现同时发起关闭的情况：

通过序列号与确认应答提高可靠性

• 在 TCP 中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个已收到消息的通知。这个消息叫做确认应答（ACK）。当发送端将数据发出之后会等待对端的确认应答。如果有确认应答，说明数据已经成功到达对端。反之，则数据丢失的可能性很大。

• 在一定时间内没有等待到确认应答，发送端就可以认为数据已经丢失，并进行重发。由此，即使产生了丢包，仍然能够保证数据能够到达对端，实现可靠传输。

• 未收到确认应答并不意味着数据一定丢失。也有可能是数据对方已经收到，只是返回的确认应答在途中丢失。这种情况也会导致发送端误以为数据没有到达目的地而重发数据。

• 此外，也有可能因为一些其他原因导致确认应答延迟到达，在源主机重发数据以后才到达的情况也屡见不鲜。此时，源主机只要按照机制重发数据即可。

• 对于目标主机来说，反复收到相同的数据是不可取的。为了对上层应用提供可靠的传输，目标主机必须放弃重复的数据包。为此我们引入了序列号。

• 序列号是按照顺序给发送数据的每一个字节（8位字节）都标上号码的编号。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列号作为确认应答返送回去。通过序列号和确认应答号，TCP 能够识别是否已经接收数据，又能够判断是否需要接收，从而实现可靠传输。

重发超时的确定

• 每次发包之前都会计算往返时间，以此确定超时间隔

• 重发之后可能再次重发，超时间隔以指数形式增加 2 - 4 - 8

• 重发多次之后将强制断开连接，不会无限重发

参考

• 一篇文章带你熟悉 TCP/IP 协议（网络协议篇二）

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