TCP协议

TCP协议是现代互联网架构的核心之一，也是网络通信的重要协议之一。在这份笔记中，对TCP协议的各种机制进行了详细讲解，从三次握手、四次挥手、等多个角度来深入剖析TCP协议。

TCP协议

• 面向连接的协议，面向连接是说通信双方为了维护连接而建立的数据结构
  • Transfer Control Protocol 是老司机，会拥塞控制、失败重传、确定对方能收到
• 全双工的协议，HEAD 占用 20个字节
• 三次握手
  • • 首先 B 处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求。
    • A 向 B 发送连接请求报文，SYN=1，ACK=0，选择一个初始的序号 x。
      • SYN 的值将会是一个随机数，此处用1表示
      • WireShark 也进行了上面的优化
    • B 收到连接请求报文，如果同意建立连接，则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，同时也选择一个初始的序号 y。
    • A 收到 B 的连接确认报文后，还要向 B 发出确认，确认号为 y+1，序号为 x+1
      • 有可能是 PUSH ACK 即 会在 ACK 中携带数据
    • B 收到 A 的确认后，连接建立
  • 三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误的打开连接
    • 客户端发送的连接请求如果在网络中滞留，那么就会隔很长一段时间收到服务器的 ACK
    • 客户端在等待一个超时重传之后，就会重新请求连接，但先前的请求还是达到了服务端。如果没有第三次握手，服务器就会打开两个连接
    • 如果有第三次握手，客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，不进行第三次握手，因此就不会再次打开连接
• 四次挥手
  • • A 发送连接释放报文，FIN=1
    • B 收到后回复确认，此时 TCP 处于半关闭，B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。
    • 当 B 不再需要连接时，发送连接释放报文，FIN=1。
    • A 收到后发出 ACK ，进入 TIME-WAIT 状态，等待 2 MSL（最大报文存活时间）后释放连接。
    • B 收到 A 的确认后释放连接
  • 四次挥手的原因
    • 客户端发送了 FIN 连接释放报文之后，服务器收到了这个报文，就进入了 CLOSE-WAIT 状态。
    • 这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据，传送完毕之后，服务器会发送 FIN 连接释放报文。
  • TIME_WAIT：客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态，此时并不是直接进入 CLOSED 状态，还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL
    • 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文，那么就会重新发送连接释放请求报文，A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
    • 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。
• 数据包的大小
  • MTU：Maximum Transmission Unit：最大传输单元对标以太网数据包的大小为 150字节（不包含 Ethemet Head 20字节）
  • MSS: Maximum Segment Size 一个 TCP 协议数据最大承载的数据量（不包含头部信息）：1400 字节
  • MTU(1500 bit) = MSS(1400 bit) + TCP Head(20bit) + IP Head (20bit) + IP 和 TCP 额外的头信息
  • 在三次握手的时候通信双方会把各自的 MSS 传递过去进行协商，选取最小的 MSS 进行通信
• 数据包编号（SEQ）
  • 一个包1400字节，那么一次性发送大量数据，就必须分成多个包TCP 协议为每个包编号（sequence number，简称 SEQ），以便接收的一方按照顺序还原。万一发生丢包，也可以知道丢失的是哪一个包
  • 个数据包都可以得到两个编号：自身的编号，以及下一个包的编号接收方由此知道，应该按照什么顺序将它们还原成原始文件
• 数据组装
  • 收到 TCP 数据包以后，组装还原是操作系统完成的，组装好就按端口交给应用程序
  • 应用程序无法参与到此过程也不应该关心
• 慢启动和 ACK
  • 带宽小、路由器过热、缓存溢出等许多因素都会导致丢包。线路不好的话，发得越快，丢得越多。
  • 开始的时候，发送得较慢，然后根据丢包的情况，调整速率
    • 如果不丢包，就加快发送速度；
    • 如果丢包，就降低发送速度
  • 接收方在收到两个 TCP 包后就回复一个 ACK 确认
  • ACK 携带的信息
    • 下一个数据包期望的编号
    • 接收方的接受窗口剩余容量
• 遗失处理
  • 数据包是携带标号的，如果收到的编号不是连续递增的话 ACK 的编号不会变化
  • 举例来说，现在收到了4号包，但是没有收到5号包。ACK 就会记录，期待收到5号包。过了一段时间，5号包收到了，那么下一轮 ACK 会更新编号。如果5号包还是没收到，但是收到了6号包或7号包，那么 ACK 里面的编号不会变化，总是显示5号包。这会导致大量重复内容的 ACK。
  • 如果发送方发现收到三个连续的重复 ACK，或者超时了还没有收到任何 ACK，就会确认丢包，即5号包遗失了，从而再次发送这个包