TCP/IP_TCP协议

目录

一、TCP协议

1.1 确认应答

1.2 超时重传

1.3 连接管理

1.4 TCP状态

1.5 滑动窗口

1.6 流量控制

1.7 拥塞控制

1.8 延迟应答

1.9 捎带应答

1.10 粘包问题

1.11 异常情况

二、TCP/UDP对比

总结

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一、TCP协议

TCP 协议和 UDP 协议是处于传输层的协议。

【TCP协议段格式】

【6位标志位】

1、URG：紧急指针是否有效。

2、ACK：应答报文。

3、PSH：提示接收端应用程序立即从TCP缓冲区中把数据读取走。

4、RST：对端要求重新建立连接。携带 RST 标识的称为复位报文段。

5、SYN：请求建立连接。携带 SYN 标识的称为同步报文段。

6、FIN：通知对端，本端要关闭了。携带 FIN 标识的称为结束报文段。

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1.1 确认应答

TCP 将每个字节的数据都进行了编号。确认应答中，通过应答报文 (ACK报文) 来反馈给发送方，我已经收到哪些数据，下一次你该从哪个位置开始发送。应答报文中的确认序号，是按照发送数据的最后一个字节编号再加 1 来设定的。

注： TCP 的确认应答是确保 TCP 可靠性的最核心机制。

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1.2 超时重传

超时重传是确认应答的补充。当发送端发送完数据，然后在一定时间内未收到 ACK 报文，此时发送端就判定出现了 "丢包"，就会重新发送数据。但是 "丢包" 可能是数据丢了，也可能是 ACK 报文丢了。 

【数据丢包】

数据在发送给接收端的过程中丢失，此时超时重传就能解决问题。

【ACK丢包】

若是 ACK 报文丢失，可能导致发送两次同样的数据，而为了防止接收两次同样数据的情况出现，TCP socket 在内核中就引入了接收缓冲区，发送端发来的数据会先放入接收缓冲区中，然后接收端读取缓冲区即可获得数据。在读取缓冲区的之前，接收端会依据数据的编号先进行判断，若是发现 "重复数据"，直接丢弃。

注： 接收缓冲区可以去重，也可以排序。而接收端读取数据时，是按照数据编号连续读取的。

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1.3 连接管理

【建立连接】

TCP 协议中的建立连接，又称为 "三次握手"，目的是让通信双方都能保存对方的相关信息，也是在验证通信双方的发送、接收能力是否正常。"三次握手" 的本质就是通信双方分别给对方发送一个 SYN，并分别响应一个 ACK。

中间两次数据传输都是内核收到 SYN 后立即触发，与应用程序代码无关，触发时机完全一致，故一定可以合并传输。

【断开连接】

断开连接的目的是把对端的信息从数据结构中给释放掉。而建立连接后，在通信双方都同意断开连接的情况下，称为 "四次挥手"；若是单方面同意，则会有其他方式释放该连接，此时 "四次挥手" 并不适用。"四次挥手" 的本质就是通信双方分别给对方发送一个 FIN，并分别响应一个 ACK。

由于 ACK 的发送是由内核处理，而 FIN 是由应用程序代码触发，触发时间间隔可能比较长，故中间两次数据传输不一定可以合并传输。

【三次握手和四次挥手】

相同点：

        1、通信双方分别给对方发送一个 SYN/FIN，并分别响应一个 ACK。

        2、数据传输的顺序：SYN(FIN) / ACK / SYN(FIN) / ACK。

不同点：

        1、三次握手的中间两次数据传输一定可以合并；四次挥手则不一定。

        2、三次握手必须是客户端主动；四次挥手则是服务器与客户端都可以主动。

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1.4 TCP状态

1、LISTEN：表示服务器已经创建好 severSocket，并绑定好端口号。

2、ESTABLISHED：表示服务器和客户端的连接已经建立。

3、TIME_WAIT：表示本端给对端发送 FIN 后，对端也给本端发送 FIN，此时本端进入 TIME_WAIT。

在四次挥手中，进入 TIME_WAIT 状态为了给最后一个 ACK 的重传留有一定的时间。若不进入 TIME_WAIT 状态，直接将 TCP 连接释放掉，就意味着重传的 FIN 无法被返回 ACK。此时一端没有收到 ACK 就会视为丢包，就会重传 FIN。

4、CLOSE_WAIT：表示本端收到对端发送的 FIN，此时需要调用 close 来主动发起 FIN。

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1.5 滑动窗口

在确认应答的机制下，每次发送方接收到 ACK 后才会发送下一个数据，这样就导致大量的时间都消耗在等待 ACK 上。此时就引入了滑动窗口，既然一发一收的性能较低，就一次发送多条数据，然后统一等一波 ACK。此时收到一个 ACK 就会发送一次数据。

【案例】

第一次批量传输 1~1000 和 1001~2000，然后收到 ACK1001，再发送 2001~3000，以此类推。

【ACK丢包】

若 ACK1001 丢包，但数据 1~1001 未丢，此时也会收到 ACK2001，这意味着 2001 之前的数据(1~2000)都收到了，故 ACK 丢包对于可靠性没有任何影响，无需进行任何处理。

【数据丢包】

若数据 1~1000 丢包，此时发送端就会重复收到 ACK1001，发送端连续收到三次 ACK1001后，就会将数据 1~1000 重新发送，而发送端收到 ACK1001 后，下一次就可能收到 ACK3001，这是因为数据 1001~3000 在之前接收端就已经放入内核的接收缓冲区中。这种重传做到了 "针对性"，整体的效率没有额外损失，这种机制被称为"快重传"。

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【确认应答与滑动窗口】

1、短时间内传输大量数据：此时需要通过滑动窗口，按照快重传来保证可靠性，此时判定丢包的标准就是有连续多个相同的 ACK。

2、无需传输大量数据：此时按照普通确认应答，按照超时重传来保证可靠性，此时判定丢包的标准就是达到超时时间还没接收到 ACK。

所以说，确认应答、超时重传和滑动窗口、快重传，并不冲突，是同时存在的。

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1.6 流量控制

接收端处理数据的速度是有限的，如果发送端发的太快，会导致接收缓冲区被打满，此时若发送端继续发送，就会发生丢包。故 TCP 可以根据接收端的处理数据能力，来决定发送端的发送速度，这个机制就叫流量控制。

• 接收端将可以接受的缓冲区大小放入 TCP 首部的 "窗口大小" 字段，通过 ACK 通知发送端。
• 若接收缓冲区满了，窗口就会置 0，此时发送端不再发送数据，但需要定期发送一个窗口探测，让接收端把窗口大小告诉发送端。

注：TCP 首部的选项中，还有一个参数，窗口扩展因子，实际上真正要设置的窗口大小 = 16位窗口大小 * 2^窗口扩展因子。

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1.7 拥塞控制

在不清楚网络状态的情况下，贸然发送大量数据，很可能引起堵塞。故 TCP 引入慢启动机制，先发少量的数据探路，摸清当前网络状态，再决定传输速率。每次发送数据报时，将拥塞窗口和接收端反馈的窗口大小作比较，较小值作为实际发送的窗口。

【拥塞窗口大小】

1、发送开始时，定义拥塞窗口为 1。

2、若并未出现丢包，此时按照指数增长 (*2)。

3、当达到阈值，指数增长就变为线性增长。

4、当增长至引起丢包，就将拥塞窗口重置为较小的值，回到最初的慢启动过程 (重新指数增长)，并根据丢包的窗口大小，重新设置阈值。

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1.8 延迟应答

接收端接收到数据后，不会立即返回 ACK，让接收端应用程序处理一些数据后再返回 ACK，这样就可以让返回的窗口尽可能的大。 

【应答时间】

数量限制：每隔 N 个数据报就应答一次。

时间限制：超过最大延迟时间就应答一次。

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1.9 捎带应答

基于延迟应答，接收端收到数据后不会立即返回 ACK，此时就可以把接下来要传输的业务数据和上次的 ACK 合并为一个 TCP 数据报，从而提高传输效率。

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1.10 粘包问题

"包" 即 TCP 载荷中的应用数据包，当数据接收到缓冲区中，接收端要读取缓冲区，此时看到的只是一串连续的字节数据，并不清楚从哪到哪是一个完整的应用数据包。为了避免粘包问题，就需要明确两个包之间的边界。

1、对于定长的包：保证每次按照固定大小读取即可。

2、对于变长的包：

① 通过特殊符号，作为分隔符。(任意字符，确保该字符不存在于正式数据中)

② 在包开始的位置，约定好整个数据包的长度。

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1.11 异常情况

1、进程终止：进程无论是正常结束，或是异常崩溃，都会释放文件描述符，由于 TCP 连接的生命周期比进程更长一些，故尽管进程退出，仍然可以进行四次挥手。

2、机器关机：机器关机就会触发四次挥手，但不一定可以挥完，挥的快，双方都能正确的删除保存的连接信息；挥的慢，至少也能把第一个 FIN 发送给对端，此时对方返回 ACK 并发送 FIN，但 FIN 不会收到 ACK，进行多次重传后未收到 ACK，就会单方面删除连接。

3、机器断电 / 网线断开：突然机器断电或网络断开会导致来不及发送 FIN，此时会有两种情况：

(1) 若断电的是接收端，发送端发现未收到 ACK，进行重传，重传还是没用就会尝试发送 RST(复位报文)，若通过 RST 成功复位，则继续通信；若还是不行，则单方面删除连接。

(2) 若断电的是发送端，接收端迟迟没有等到数据，这时就会触发 "心跳包" 来检测对方是否存活，若对方没有心跳，则尝试发送 RST，还是不行，则单方面删除连接。

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二、TCP/UDP对比

TCP：有连接、可靠传输、面向字节流、全双工。

UDP：无连接、不可靠传输、面向数据报、全双工。

• TCP 用于需要可靠传输的情况，如文件传输。
• UDP 用于效率要求很高，可靠性要求不高的情况。

注：全双工指可以同时进行信号的双向传输。

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总结

1、TCP 的确认应答是确保 TCP 可靠性的最核心机制。

2、接收缓冲区可以去重、排序。接收端读取数据是按照数据编号连续读取的。

3、连接的目的是让通信双方都能保存对方的相关信息。

4、主动断开连接进入 TIME_WAIT，被动断开连接进入 CLOSE_WAIT。

5、滑动窗口可以进行批量传输。

6、流量控制是根据接收端的处理数据能力，来决定发送端的发送速度。

7、每次发送数据报时，将拥塞窗口和接收端反馈的窗口大小作比较，较小值作为实际发送的窗口。

8、延迟应答让窗口尽可能的大，捎带应答基于延迟应答来合并数据。

9、避免粘包问题的核心是明确两个包之间的边界。

10、UDP 相比于 TCP 最大的优势就是传输效率高。