传输层协议——TCP

TCP协议

TCP全称为“传输控制协议”，要对数据的传输进行一个详细的控制。

特点

• 面向连接的
• 可靠性
• 字节流

TCP的协议段格式

• 源/目的端口：表示数据从哪个进程来，到哪个进程
• 4位首部长度：表示该TCP头部有多少字节（注意它的单位是4字节），因为TCP报头的范围为[20,60]，所以4位首部长度范围就是[5,15]
• 16位校验和：校验报文是否符合要求，不符合直接丢弃

6位标记位

• URG：紧急指针是否有效
• ACK：确认号是否有效
• PSH：提示服务端立刻将TCP缓冲区的数据读走
• RST：对方要求重新建立链接
• SYN：请求建立连接，我们携带SYN标识的称为同步报文段
• FIN：通知对方，本端将断开连接。

我将从下面的几个场景中来阐述一下TCP中协议段格式的每个含义。

ACK确认应答机制

当我们主机A发送数据的时候，主机B需要给主机A发送“已收到”（ACK），这时主机A开知道数据已经发送到了主机B。但如果主机B想要发数据给主机A，那么就又要需要一次write了，所以效率其实是不高的，所以有了后面的捎带应答。

捎带应答

我们发现,很多情况下,客户端服务器在应用层也是 "一发一收"的.意味着客户端给服务器说了 “How are you”,服务器也会给客户端回一个 “Fine,thank you”;那么这个时候 ACK就可以搭顺风车,和服务器回应的 "Fine, thank you"一起回给客户端

32位序号和32位确认序号

32位序号：在建立连接的时候，计算机会随机生成一个随机数作为初始值，当传送一次数据的时候，会累加上数据的大小。 用来解决网络中乱序的问题
32位确认序号：发送端接受到确认应答后，可以认为这个序号之前的序号全部被收到了。用来解决网络中丢包的问题

三次握手与四次挥手

TCP建立连接

• 一开始的时候，客户端和服务端都是CLOSED状态，然后服务端去监听某个端口，然后处于LISTEN状态
• 客户端就会去建立连接，然后会先初始化序号（clinet_isn），将SYN标记位置为1，然后将整个报头发送过去，之后客户端除以SYN_SENT状态
• 服务端收到了来自客户端携带的SYN报头后，也会先初始化自己的序（server_isn）号，然后将确认应答设置为clinet_isn+1，，将TCP报头中ACK和SYN设置为1，然后将报文发送给客户端。之后状态为SYN_REVD
• 最后客户端收到了来自服务端的数据，将TCP中ACK置为1，将确认序号设置为server_isn+1，然后将报文发送给服务端（这次可以携带数据），之后客户端状态为ESTABLISHED。

从上面的三次握手中可以看到，第二次服务端返回ACK和SYN的时候，其实就用到了捎带应答。 而且注意 前两次握手是不能发送数据的，而第三次是可以的。

四次挥手

• 客户端首先会先发送携带FIN的报文给服务端，表示要断开连接。之后状态设置为FIN_WAIT_1
• 服务端收到该报文后，就向客户端发送 ACK 应答报文，接着服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。
• 客户端收到服务端的 ACK 应答报文后，之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
• 这时，服务端可能需要处理数据。之后会发送FIN报文，之后状态为LAST_ACK
• 客户端收到服务端的 FIN 报文后，回一个 ACK 应答报文，之后进入 TIME_WAIT 状态
• 服务端收到了 ACK 应答报文后，就进入了 CLOSE 状态，至此服务端已经完成连接的关闭。
• 客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，至此客户端也完成连接的关闭。

2MSL：刚好是客户端发送数据到服务端的时间 + 服务端发送数据回到客户端的时间（这样就确保再2MSL之后，再无数据处理了）

其实你看，三次握手因为捎带应答，合并成了一次，而四次挥手中，不合并是因为，服务端可能还会发送数据给客户端。
之所以被称为四次挥手，你看图中，是不是客户端和服务端都会发送FIN和ACK来表示自己要断开连接，一来一回刚好4次。

为什么是三次握手？1次可以吗？2次可以吗？4次可以吗？

先来回答一下为什么是三次握手

• 需要确保通信是正常的。3次刚好可以验证TCP全双工
• 确保双方OS是健康的，且愿意通信（各自发送ACK）

再聊一聊如果TCP1次和2次握手会发生什么事

• 我们要知道建立连接是需要消耗资源的，所以如果有人恶意的发送大量SYN报文呢，并且不想接受数据，这样看，1次和2次握手是不是很不合理呢？

4次握手可以吗？

• 当然可以，但是没必要，因为3次握手已经是最少可靠的连接建立了，并且保证了全双工。

超时重传机制

TCP要保证所有的数据包可以达到对方，就必须要有超时重传的机制。

• 主机A发送数据给主机B，但由于网络的原因，数据没有到达主机B
• 主机A在一个特定的时间间隔（这个时间间隔在不同的内核版本中是不同的）内没有收到主机B的数据，就会重新发送（注意重新传的SYN报文是一样的）。

但是,主机 A未收到 B发来的确认应答,也可能是因为 ACK丢失了

因此主机 B会收到很多重复数据.那么 TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包,并且把重复的丢弃掉.
所以就有了序号，可以做到去重的效果。

那么最后一个问题来了？？
超时的时间怎么确定呢？？

• 最理想的情况下,找到一个最小的时间,保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”.
• 但是这个时间的长短,随着网络环境的不同,是有差异的
• 如果超时时间设的太长,会影响整体的重传效率
• 如果超时时间设的太短,有可能会频繁发送重复的包

所以TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信,因此会动态计算这个最大超时时间.

• Linux中(BSD Unix和 Windows也是如此),超时以 500ms为一个单位进行控制,每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍.
• 如果重发一次之后,仍然得不到应答,等待 2*500ms后再进行重传.
• 如果仍然得不到应答,等待 4*500ms进行重传.依次类推,以指数形式递增.

重发的次数和操作系统有关。
在ubuntu20.04下是6次

如何理解面向字节流

在创建一个TCP的socket，内核会创建一个发送缓冲区和一个接受缓冲区

• 调用write，数据会先写入发送缓冲区中
• 如果发送的字节流太长，会被拆分成多个TCP的数据发出
• 如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者等待时机发送出去
• 接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区
• 然后应用程序可以调用 read 从接收缓冲区拿数据
• 另一方面, TCP 的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一
  个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做 全双工

就是由于这个缓冲区的原因，TCP的读和写不再需要一一匹配，例如

• 写 100 个字节数据时, 可以调用一次 write 写 100 个字节, 也可以调用 100 次write, 每次写一个字节
• 读 100 个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100 个字节, 也可以一次 read 一个字节, 重复 100 次