计算机网络--TCP协议深入理解

Posted 2022-10-14 xgmzhna

　　在近期学习计算机网络的过程中，由于知识点过于零散，琐碎，从而学习起来痛苦不堪，此贴只是总结了基于传输层的TCP协议相关的知识细节，并加入一点自己的理解，并无创新，若有理解不当之处，敬请提出，感谢！

首先过一下流水账，在计算机网络中，对于网络传输有七层模型，或者TCP/IP四层模型等等，那么先基于TCP/IP四层模型而言：

1.数据链路层：对0和1进行分组，定义了数据帧，确认主机物理地址，并且传输数据

2.网络层：定义IP地址，确认网络位置，通过IP给MAC寻址，对外网数据包进行路由转发

3.传输层：定义端口，确认主机上进程身份，并且把数据包交给对应的进程（利用socket）

4.应用层：定义数据格式，并且按照格式解读数据

在基于传输层中，有很多协议规定了如何去传，如何去收，比如UDP协议，这是一个基于报文（添加了标记，封装后的数据）的传输层协议，但是由于UDP没有确认机制，第一，发送前并不知道双方是否连接成功，第二，一旦数据包发送，无法知道是否收到，可靠性差，这个时候TCP协议就诞生了，简单的来说就是有确认机制的UDP协议（当然UDP协议中有很多的优势，比如传输速度快，可广播，组播等，在具体应用中二者相辅相成，具体根据实际项目来定）

 

一、

TCP是一个面向数据流的协议，UDP是一个面向数据报文的协议，这句话我相信老师经常会说，但是并没有具体解释是什么意思（反正我是）

1.TCP

　　我们先假设有一个蓄水池，可以在里面接水和倒水，但是倒水和接水这两者没有必然的关系，可以倒一次水然后分五次接完；接多少水，水池里就少多少水，倒多少水，水池里就多多少水，但不能超过蓄水池的容积，不然水就会溢出，结合TCP来看，水池就好比内核中的接收缓冲区，倒水就好比发送数据，接水就好比接收数据，好比你通过TCP连接给另一端发送数据，你只调用了一次write，发送了100个字节，但是对方可以分10次收完，每次10个字节；你也可以调用10次write，每次10个字节，但是对方可以一次就收完。但是，你发送的数据量不能大于对方的接收缓存（流量控制），如果你硬是要发送过量数据，则对方的缓存满了就会把多出的数据丢弃。

2.UDP

　　UDP和TCP不同，发送端调用了几次write，接收端必须用相同次数的read读完。UPD是基于报文的，在接收的时候，每次最多只能读取一个报文，报文和报文是不会合并的，如果缓冲区小于报文长度，则多出的部分会被丢弃。也就说，如果不指定MSG_PEEK标志，每次读取操作将消耗一个报文。

 

这种的区别是由TCP和UDP的特性所决定的，TCP是面向于连接，也就是说，在连接持续的过程中（连接三次握手，断开四次挥手），socket中收到的数据都是由同一台主机发出的（消息截获什么的不考虑），因此，知道保证数据是有序的到达就行了，至于每次读取多少数据自己看着办。

而UDP是无连接的协议，也就是说，只要知道接收端的IP和端口，且网络是可达的，任何主机都可以向接收端发送数据。这时候，如果一次能读取超过一个报文的数据，则会乱套。比如，主机A向发送了报文P1，主机B发送了报文P2，如果能够读取超过一个报文的数据，那么就会将P1和P2的数据合并在了一起，这样的数据是没有意义的。

二、

1.TCP的发送缓冲区和接收缓冲区

　　TCP协议的传输的端对端，一对一的，那么就会有发送端和接收端，在操作系统有两个空间即user space和kernal space。每个Tcp socket连接在内核中都有一个发送缓冲区和接收缓冲区，TCP的全双工（是指交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音）的工作模式以及TCP的流量(拥塞)控制便是依赖于这两个独立的buffer以及buffer的填充状态。在编程中，一个socket的两端都会由send和recv两个函数，比如Client发送数据到server，那么就是客户端调用send发送数据，但是Send函数的实际作用只是把数据拷贝到socket的内核发送缓冲区中，然后send函数就会返回，send函数仅仅是把应用层buffer的数据拷贝到socket的内核发送buffer中，发送都是纯由TCP来做，和send没有关系（不要被Send的名字给蒙骗了），接下来数据发送到服务器端后，等待recv()进行读取，大家能够猜到了吧，recv函数也仅仅是把socket内核中的接收缓冲区中的数据拷贝到应用层的buffer里而已，如果应用程序一直没有调用recv()进行读取的话，此数据就会一直在相应socket的接收缓冲区内。对于TCP，如果应用进程一直没有读取，接收缓冲区满了之后，发生的动作是：收端通知发端，接收窗口关闭（win=0）。这个便是滑动窗口的实现。保证TCP套接口接收缓冲区不会溢出，从而保证了TCP是可靠传输。因为对方不允许发出超过所通告窗口大小的数据。 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。

2.TCP的流量控制机制

　　根据上面来看，TCP的流量控制机制是通过滑动窗口进行实现的，大致原理图如下，更多的细节可以参考TCP/IP详解这本书，

 

 ACK:表示回复　　 SYN：请求连接 　　win：表示可用窗口

 

未完待续。。。