计算机网络12 TCP

1 TCP简介

　　CP的全称是Transmission Control Protocol，即传输控制协议，TCP工作在传输层上

　　其职责是：实现主机间进程到进程的通信，其次还需要保证可靠性（不是安全性，换言之不能保证安全性）

2 特点

　　1）点对点：一个发送方，一个接收方

　　2）可靠：可靠的、按序的字节流

　　3）流水线机制：

　　　　TCP拥塞控制和流量控制机制　　

　　　　设置窗口尺寸

　　4）发送方/接收方缓存

　　5）全双工：同一连接中能够传输双向数据流

　　6）面向连接

　　　　通信双方在发送数据之前必须建立连接

　　　　连接状态只在连接的两端中维护，在沿途节点中并不维护状态

　　　　TCP连接包括：两台主机上的缓存、连接状态变量、socket等

 

3 TCP的可靠

　　TCP会尽自己所能，尽量将数据发送给对方；但并不能保证100%可以发送给对方
　　TCP会在数据发送不到对方的情况下，会给应用层一个错误提示，告知用户发送失败
　　TCP可以保证接收方(应用层)严格按照发送时的数据顺序接收
　　TCP保证数据不会出现无意间的损坏(UDP 也做到这点)
　　TCP尽可能地维护网络质量

4 TCP报文格式

4.1 端口号

　　源端口号：报文的发送端口

　　目的端口号：报文的就收端口

4.2 序号（seq）

　　序号（Sequence Number）：TCP传输过程中，在发送端出的字节流中，传输报文中的数据部分的每一个字节都有它的编号。

　　序号（Sequence Number）的语义与SYN控制标志（ControlBits）的值有关。根据控制标志（Control Bits）中的SYN是否为1，序号（SequenceNumber）表达不同的含义：

　　　　当SYN = 1时，当前为连接建立阶段，此时的序号为初始序号ISN((Initial Sequence Number)，通过算法来随机生成序号；

　　　　当SYN = 0时在数据传输正式开始时，第一个报文的序号为 ISN +1，后面的报文的序号，为前一个报文的SN值+TCP报文的净荷字节数(不包含TCP头)。

　　　　比如，如果发送端发送的一个TCP帧的净荷为12byte，序号为5，则发送端接着发送的下一个数据包的时候，序号的值应该设置为5+12=17。

4.3 确认序号ACK（AcknowledgmentNumber）

　　标识了报文接收端期望接收的字节序列。如果设置了ACK控制位，确认序号的值表示一个准备接收的包的序列码，注意，它所指向的是准备接收的包，也就是下一个期望接收的包的序列码。

4.4  控制标志位

　　控制标志（Control Bits）共6个bit位，具体的标志位为：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。6个标志位的说明，如下面所示。
　　URG 占1位，表示紧急指针字段有效。URG位指示报文段里的上层实体（数据）标记为“紧急”数据。当URG=1时，其后的紧急指针指示紧急数据在当前数据段中的位置(相对于当前序列号的字节偏移量)，TCP接收方必须通知上层实体。
　　ACK 占1位，置位ACK=1表示确认号字段有效；TCP协议规定，接建立后所有发送的报文的ACK必须为1；当ACK=0时，表示该数据段不包含确认信息。当ACK=1时，表示该报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认序号Acknowledgment Number，该序号同时也是下一个报文的预期序号。
　　PSH 占1位，表示当前报文需要请求推（push）操作；当PSH=1时，接收方在收到数据后立即将数据交给上层，而不是直到整个缓冲区满。
　　RST 占1位，置位RST=1表示复位TCP连接；用于重置一个已经混乱的连接，也可用于拒绝一个无效的数据段或者拒绝一个连接请求。如果数据段被设置了RST位，说明报文发送方有问题发生。
　　SYN 占1位，在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文。对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1。 综合一下，SYN置1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
　　FIN 占1位，用于在释放TCP连接时，标识发送方比特流结束，用来释放一个连接。当 FIN = 1时，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。
　　在连接建立的三次握手过程中，若只是单个SYN置位，表示的只是建立连接请求。如果SYN和ACK同时置位为1，表示的建立连接之后的响应.

4.5 窗口大小

　　长度为16位，共2个字节。此字段用来进行流量控制。流量控制的单位为字节数，这个值是本端期望一次接收的字节数。

4.6 检验和

　　长度为16位，共2个字节。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，接收端用于对收到的数据包进行验证

5 TCP的三次握手和四次挥手

5.1 三次握手过程

　　TCP连接的建立时，双方需要经过三次握手，具体过程如下：

　　（1）第一次握手

　　　　　　Client进入SYN_SENT状态

　　　　　　发送一个[SYN帧]来主动打开传输通道，该帧的SYN标志位被设置为1

　　　　　　同时会带上Client分配好的SN序列号，该SN是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1

　　　　　　除此之外，[SYN帧]还会带一个MSS（最大报文段长度）可选项的值，表示客户端发送出去的最大数据块的长度。

　　（2）第二次握手

　　　　　　Server端在收到[SYN帧]之后，会进入SYN_RCVD状态

　　　　　　同时返回[SYN&ACK帧]给Client，主要目的在于通知Client，Server端已经收到SYN消息，现在需要进行确认。

　　　　　　Server端发出的[SYN&ACK帧]的ACK标志位被设置为1

　　　　　　其确认序号Ack（Acknowledgment Number）值被设置为Client的SN+1；

　　　　　　Server端也随机生成一个SN序号；

　　　　　　也可以携带一个MSS，[SYN&ACK帧]的MSS（最大报文段长度）表示的是Server端的最大数据块长度。

　　（3）Client在收到Server的第二次握手[SYN&ACK确认帧}之后

　　　　　　首先将自己的状态会从SYN_SENT变成ESTABLISHED，表示自己方向的连接通道已经建立成功，Client可以发送数据给Server端了。

　　　　　　然后，Client发ACK帧给Server端，该ACK帧的ACK 标志位被设置为1

　　　　　　其确认序号AN（Acknowledgment Number）值被设置为Server端的SN序列号+1。

　　　　　　还有一种情况，Client可能会将ACK帧和第一帧要发送的数据，合并到一起发送给Server端。。

　　（4）Server端在收到Client的ACK帧之后

　　　　　　从SYN_RCVD状态会进入ESTABLISHED状态

　　　　　　至此，Server方向的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。

5.2 四次挥手具体过程

（1）第一次挥手

　　　　主动断开方（可以是客户端，也可以是服务器端），向对方发送一个FIN结束请求报文，此报文的FIN位被设置为1

　　       正确设置Sequence Number（序列号）和Acknowledgment Number（确认号）。

　　　　发送完成后，主动断开方进入FIN_WAIT_1状态，这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方，准备关闭SOCKET连接了。

（2）第二次挥手

　　　　正常情况下，在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后，被动断开方会发送一个ACK响应报文

　　　　报文的Acknowledgment Number（确认号）值为断开请求报文的Sequence Number（序列号）加1，该ACK确认报文的含义是：“我同意你的连接断开请求”。
　　　　之后，被动断开方就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，TCP协议服务会通知高层的应用进程，对方向本地方向的连接已经关闭，对方已经没有数据要发送了，若本地还要发送数据给对方，对方依然会接受。被动断开方的CLOSE-WAIT（关闭等待）还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

　　　　主动断开方在收到了ACK报文后，由FIN_WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。

（3）第三次挥手

　　　　在发送完成ACK报文后，被动断开方还可以继续完成业务数据的发送，待剩余数据发送完成后，或者CLOSE-WAIT（关闭等待）截止后，被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文，表示被动断开方的数据都发送完了，然后，被动断开方进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手

　　　　主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文后，还需要进行最后的确认，向被动断开方发送一个ACK确认报文

　　　　然后，自己就进入TIME_WAIT状态，等待超时后最终关闭连接。

　　　　处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，如果期间没有收到其他报文，则证明对方已正常关闭，主动断开方的连接最终关闭。

　　　　被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后，最终关闭了连接，自己啥也不管了。

6 握手挥手细节

6.1 处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，才真正关闭连接通道，其等待的时间为什么是2MSL

　　2MSL翻译过来就是两倍的MSL。MSL全称为Maximum Segment Lifetime，指的是一个TCP报文片段在网络中最大的存活时间，具体来说，2MSL对应于一次消息的来回（一个发送和一个回复）所需的最大时间。如果直到2MSL，主动断开方都没有再一次收到对方的报文（如FIN报文），则可以推断ACK已经被对方成功接收，此时，主动断开方将最终结束自己的TCP连接。所以，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。

　　有关MSL的具体的时间长度，在RFC1122协议中推荐为2分钟。在SICS（瑞典计算机科学院）开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈——LwIP开源协议栈中MSL默认为1分钟。在源自Berkeley的TCP协议栈实现中MSL默认长度为30秒。总体来说，TIME_WAIT（2MSL）等待状态的时间长度，一般维持在1-4分钟之间。

　　通过三次握手建立连接和四次挥手拆除连接，一次TCP的连接建立及拆除，至少进行7次通信，可见其成本是很高的。

6.2 为什么关闭连接的需要四次挥手，而建立连接却只要三次握手

　　关闭连接时，被动断开方在收到对方的FIN结束请求报文时，很可能业务数据没有发送完成，并不能立即关闭连接，被动方只能先回复一个ACK响应报文，告诉主动断开方：“你发的FIN报文我收到了，只有等到我所有的业务报文都发送完了，我才能真正的结束，在结束之前，我会发你FIN+ACK报文的，你先等着”。所以，被动断开方的确认报文，需要拆开成为两步，故总体就需要四步挥手。

　　而在建立连接场景中，Server端的应答可以稍微简单一些。当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，其中ACK报文表示对请求报文的应答，SYN报文用来表示服务端的连接也已经同步开启了，而ACK报文和SYN报文之间，不会有其他报文需要发送，故而可以合二为一，可以直接发送一个SYN+ACK报文。所以，在建立连接时，只需要三次握手即可。

6.3 为什么连接建立的时候是三次握手，可以改成两次握手

　　三次握手完成两个重要的功能：一是双方都做好发送数据的准备工作，而且双方都知道对方已准备好；二是双方完成初始SN序列号的协商，双方的SN序列号在握手过程中被发送和确认。

　　如果把三次握手改成两次握手，可能发生死锁。两次握手的话，缺失了Client的二次确认ACK帧，假想的TCP建立的连接时二次挥手，可以如下图所示：

　　在假想的TCP建立的连接时二次握手过程中，Client发送Server发送一个SYN请求帧，Server收到后发送了确认应答SYN+ACK帧。按照两次握手的协定，Server认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据帧。这个过程中，如果确认应答SYN+ACK帧在传输中被丢失，Client没有收到，Client将不知道Server是否已准备好，也不知道Server的SN序列号，Client认为连接还未建立成功，将忽略Server发来的任何数据分组，会一直等待Server的SYN+ACK确认应答帧。而Server在发出的数据帧后，一直没有收到对应的ACK确认后就会产生超时，重复发送同样的数据帧。这样就形成了死锁。

6.4 为什么主动断开方在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间

　　原因之一：主动断开方等待2MSL的时间，是为了确保两端都能最终关闭。假设网络是不可靠的，被动断开方发送FIN+ACK报文后，其主动方的ACK响应报文有可能丢失，这时候的被动断开方处于LAST-ACK状态的，由于收不到ACK确认被动方一直不能正常的进入CLOSED状态。在这种场景下，被动断开方会超时重传FIN+ACK断开响应报文，如果主动断开方在2MSL时间内，收到这个重传的FIN+ACK报文，会重传一次ACK报文，后再一次重新启动2MSL计时等待，这样，就能确保被动断开方能收到ACK报文，从而能确保被动方顺利进入到CLOSED状态。只有这样，双方都能够确保关闭。反过来说，如果主动断开方在发送完ACK响应报文后，不是进入TIME_WAIT状态去等待2MSL时间，而是立即释放连接，则将无法收到被动方重传的FIN+ACK报文，所以不会再发送一次ACK确认报文，此时处于LAST-ACK状态的被动断开方，无法正常进入到CLOSED状态。

　　原因之二：防止“旧连接的已失效的数据报文”出现在新连接中。主动断开方在发送完最后一个ACK报文后，再经过2MSL，才能最终关闭和释放端口，这就意味着，相同端口的新TCP新连接，需要在2MSL的时间之后，才能够正常的建立。2MSL这段时间内，旧连接所产生的所有数据报文，都已经从网络中消失了，从而，确保了下一个新的连接中不会出现这种旧连接请求报文。

6.5 如果已经建立了连接，但是Client端突然出现故障了怎么办

　　TCP还设有一个保活计时器，Client端如果出现故障，Server端不能一直等下去，这样会浪费系统资源。每收到一次Client客户端的数据帧后，Server端都的保活计时器会复位。计时器的超时时间通常是设置为2小时，若2小时还没有收到Client端的任何数据帧，Server端就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，Server端就认为Client端出了故障，接着就关闭连接。如果觉得保活计时器的两个多小时的间隔太长，可以自行调整TCP连接的保活参数

7 TCP可靠数据传输

7.1 策略

　　1）流水线机制

　　2）累计确认机制

　　3）单一重传机制

　　4）触发重传的事件

　　　　超时

　　　　收到重复的应答

7.2 重传示例

　   A：发送一个数据报，序号为92，数据大小为8b

　　B：应答ACK100(92+8=100)，但是丢失了

　　A：发送一个数据报，序号为100，数据大小为20

　　B：应答ACK120

　　A：收到ACK120，更新sendbase为120，表示120及以前的全部正确传输完成

　　　　

　   A：发送一个数据报，序号为92，数据大小为8b

　　A：发送一个数据报，序号为100，数据大小为20

　　B：应答ACK100

　　B：应答ACK120

　　A：由于网络等原因，ACK100的应答超时了还没有到达，重发序号为92的数据

　　A：收到ACK100，更新sendbase为100，表示100及以前的全部正确传输完成

　　A：收到ACK120，更新sendbase为120，表示120及以前的全部正确传输完成

　　B：再次收到序号为92的数据，重复了，舍弃，应答ACK120

　　A：收到ACK120，更新sendbase为120，表示120及以前的全部正确传输完成

7.3 超时时时间间隔重置

　　TCP的实现中，如果发生超时，超时时间间隔将重新设置，将超时时间加倍

 

7.4 快速重传机制

　　如果sender收到对同一数据的3个ACK，则假定该数据之后的段已经丢失，发起重传

 

8 TCP的流量控制

　　利用滑动窗口机制可以很方便地在TCP连接上实现发送方流量控制。通过接收方的确认报文中的窗口字段(标识接收方的能够处理的大小)，发送方能够准确地控制发送字节数。

 

9 拥塞控制

9.1 简介

　　前面的流量控制是避免发送方的数据填满接收方的缓存，但并不知道网络中发生了什么。

　　一般来说，计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。在网络出现拥堵时，如果继续发送大量的数据包，可能会导致数据包时延、丢失，这时 TCP 就会重传数据，但是⼀重传就会导致⽹络的负担更重，于是会导致更⼤的延迟以及更多的丢包，这个情况就会进⼊恶性循环被不断地放⼤…
　　于是，就有了拥塞控制，控制的⽬的就是避免「发送⽅」的数据填满整个⽹络。为了在「发送⽅」调节所要发送数据的数据量，定义了⼀个叫做「拥塞窗⼝」的概念。拥塞窗⼝ cwnd是发送⽅维护的⼀个的状态变量，它会根据⽹络的拥塞程度动态变化的。

　　前⾯提到过发送窗⼝ swnd 和接收窗⼝ rwnd 是约等于的关系，那么由于加⼊了拥塞窗⼝的概念后，此时发送窗⼝的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，也就是拥塞窗⼝和接收窗⼝中的最⼩值。

9.2 拥塞控制四个算法

  慢启动（slow-start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快重传（fast retransmit）、快恢复（fast recovery）。

9.2.1 慢启动
　　TCP 在刚建⽴连接完成后，⾸先是有个慢启动的过程，这个慢启动的意思就是⼀点⼀点的提⾼发送数据包的数量。慢启动的算法规则：当发送⽅每收到⼀个 ACK，拥塞窗⼝ cwnd 的⼤⼩就会加 1。

　　　　连接建⽴完成后，⼀开始初始化 cwnd = 1 ，表示可以传⼀个 MSS ⼤⼩的数据。
　　　　当收到⼀个 ACK 确认应答后，cwnd 增加 1，于是⼀次能够发送 2 个
　　　　于是又发送2个，当收到 2 个的 ACK 确认应答后， cwnd 增加 2，于是就可以⽐之前多发2 个，所以这⼀次能够发送 4 个
　　　　于是又发送4个，当这 4 个的 ACK 确认到来的时候，每个确认 cwnd 增加 1， 4 个确认 cwnd 增加 4，于是就可以⽐之前多发 4个，所以这⼀次能够发送 8 个。

　　可以看出慢启动算法，发包的个数是指数性的增⻓。有⼀个叫慢启动⻔限 ssthresh （slow start threshold）状态变量。

　　　　当 cwnd < ssthresh 时，使⽤慢启动算法。
　　　　当 cwnd >= ssthresh 时，就会使⽤「拥塞避免算法」。

　　

9.2.2 拥塞避免
　　前⾯说道，当拥塞窗⼝ cwnd 「超过」慢启动⻔限 ssthresh 就会进⼊拥塞避免算法。⼀般来说 ssthresh 的⼤⼩是 65535 字节。那么进⼊拥塞避免算法后，它的规则是：每当收到⼀个 ACK 时，cwnd 增加 1/cwnd。
　　接上前⾯的慢启动的例子，现假定最初ssthresh 为 8

　　当 8 个 ACK 应答确认到来时，每个确认增加 1/8，8 个 ACK 确认 cwnd ⼀共增加 1，于是这⼀次能够发送 9个 MSS ⼤⼩的数据，变成了线性增⻓。

　　拥塞避免算法就是将原本慢启动算法的指数增⻓变成了线性增⻓，还是增⻓阶段，但是增⻓速度缓慢了⼀些。

9.2.3 重传
　　当⽹络出现拥塞，也就是会发⽣数据包重传，重传机制主要有两种：超时重传、快速重传。

　　当发生超时重传时：

　　　　ssthresh 设为此时的cwnd /2

　　　　cwnd 直接设为1

　　　　重新进行慢启动
　　当发生快速重传时：

　　　　cwnd = cwnd/2 ，也就是设置为原来的⼀半;
　　　　ssthresh = cwnd ;也就是设置为原来cwnd 的⼀半(和超时重传一样)