TCP（3）

一张思维导图带你了解TCP的知识内容，包含TCP特性、TCP包头、建立连接、滑动窗口、TCP拥塞控制、传输连接管理等。

TCP/IP(3)

• 特性
  • *TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务器。（当TCP丢包率为5%时，传输效率大概会降低50%s） *面向连接意味着两个使用TCP的应用（通常是一个客户端和一个服务器）在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。 *TCP只能单播，不能多播和广播。
  • TCP通过以下方式来提高可靠性： 1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。 2.当TCP发出一个段后，他启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。 3.当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。 4.TCP将保持它首部和数据的检验和。 5.TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正常的顺序交给应用层。 6.既然IP数据会重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。 7.TCP提供流量控制机制，TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。
• TCP包头
  • 子主题
  • 16位源端口号
  • 16位目的端口号
  • 每个TCP段都包含源端口和目的端口，用于寻找发端和收端的应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP和目的端IP唯一确定一个TCP连接。
  • 32位序号
    • TCP会话的每一端都包含一个32位（bit）的序列号，该序列号被用来跟踪该端发送的数据量。每一个包中都包含序列号，当某个主机开启一个TCP会话时，他的初始序列号是随机的，可能是0和4,294,967,295之间的任意值，wireshark中一般用相对序号0来表示。假定数据流由一个包含500000字节的文件组成，其MSS为1000字节，数据流的首字节编号是0。如图所示，该TCP将为该数据流构建500个报文段，给第一个报文段分配序号0,第二个报文段分配序号1000,第三个报文段分配序号2000,以此类推。
  • 32位确认序号
    • 确认号要比序号要难处理一些。主机A填充进报文段的确认号是主机A期望从主机B收到的下一个字节的序号。
  • 由于序号和确认序号在两个主机之间是两套数据，所以比较难理清楚，画图分析比较容易理解
  • 4位首部长度（数据偏移）
    • 标识该tcp头部有多少个32bit字，因为4位最大能表示15，所以tcp头部最长是60字节
  • 6位保留数据
  • 可变长度选项
  • 6位标志位
    • URG
      • 紧急指针标志位，表示这帧数据可以不按照顺序排队，可以插队紧急发送。
    • ACK
      • 确认序号有效
    • PSH
      • 接收方应尽快将这个报文段交给应用层
    • RST
      • TCP通信出现严重的错误，必须要释放掉连接，想要正常通信需要重新建立连接
    • SYN
      • 同步序号，用来发起一个连接
    • FIN
      • 发端完成发送任务，TCP断开连接
  • 16位窗口大小
    • 进行流量控制
  • 16位校验和
    • 覆盖整个TCP的报文段，发送端存储，接收端验证
  • 16位紧急指针
    • 只有当URG标志置一时，紧急指针才有效，紧急指针是一个正偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。
  • 可选字段最常见的是报文大小，又称MSS，每个连接方通常都在通信的第一个段（SYS）中指明这个选项，它指明本端所能接收的最大长度报文段（仅指真实数据部分）。
  • TCP报文段中的数据部分是可选的，可以仅有包头
• 建立连接
  • 三次握手，四次挥手
  • 客户端建立连接发送的第一个SYN若无应答，则第二个SYN与第一个的间隔是5.8秒，第三个与第二个的间隔是24秒
  • 最大真实长度协商
    • PMTU：探测整条链路的最小MTU值，根据这个值来进行数据传输长度的协商
• 交互数据流
  • 经受延时确认
    • 通常TCP在接收到数据时，并不会立即发送ACK，相反，它会推迟发送，以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送（有时称这种现象为数据捎带ACK）。绝大多数实现采用的时延为200ms，也就是说，TCP将以最大200ms的时延等待是否有数据一起发送
  • Nagle算法
    • 该算法要求在一个TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他小组。TCP会收集少量的分组，并在确认到来时以一个分组的方式发出去。该算法的优越之处在于它是自适应的，确认到达越快，数据也就发的越快。而在希望减少微小分组数目的低速广域网上，则会发送更少的分组。
    • 大大减小小数据包发送的数量
• 当TCP丢包率为5%时，传输效率大概会降低50%s
• 流量控制
  • 动态调整接收窗口的大小，并与对端进行协商
• 滑动窗口
  • 收发双方都有一个缓存空间，用来对待发送和接收的数据进行暂时存储，发送窗口的大小取决于接收窗口的大小，即发送窗口不能大于接收窗口
• 超时重传和停止等待协议
  • 超时重传
    • 1S,3S,6S,12S,24S,48S,多个64S
    • 不同的操作系统，重传的次数不一样
    • 往返时间测量：TCP超时与重传最重要的部分就是对一个TCP连接的往返时间（RTT）的测量，由于网络状况的多变性，RTT时间经常会发生变化，TCP应该跟踪这些变化并相应的改变超时重传时间。有专门的算法（RFC793）
  • 确认丢失和确认迟到
    • 确认丢失
      • A端1发送数据M1，B返回的确认应答包丢失，A超时重传M1，B收到之后丢弃M1并返回应答
    • 确认迟到
      • A端1发送数据M1，B返回的确认应答包1走了远路导致在规定时间内没有传到A，A超时重传M1，B收到之后丢弃M1并返回应答2，此时A收到迟到的应答1，不做反应。
    • 概要
  • 缺点：信道利用率比较低
    • 补救措施：流水线传输，发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就停顿下来等待对方的确认，由于信道上一直有数据不间断发送，因此可以提高信道利用率
• TCP拥塞控制
  • 出现拥塞的条件：对资源需求的总和>可用资源
  • 拥塞控制的作用
  • 慢开始和拥塞避免算法原理
  • 说明：拥塞避免 并非只完全能够避免拥塞，利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。 拥塞避免是说 在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为安线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。
  • 快重传算配合慢开始算法
• 传输连接管理