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TCP之旅

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计算机网络

2017-12-08

前言

前面两篇介绍 Socket 的文章中，简单描述了 Socket 网络编程的过程。这一篇，主要介绍一下 TCP 的工作原理。包含以下六点：

  1. TCP连接简介
  2. TCP报文段
  3. 连接的建立和断开（三次握手，四次挥手）
  4. TCP可靠在哪里（序号、ACK回复、超时重传）
  5. 滑窗机制
  6. 拥塞控制机制

一、TCP连接简介

TCP 全称 Transmission Control Protocol，传输控制协议，是传输层的协议。它的任务是将应用层的数据准确地交付给网络层。

两个应用程序，如果用TCP来发送数据，那么他们必须先互相“握手”。也就是说，在正式传数据之前，要先互相发送一些预备报文段，以建立确保数据传输的参数。所以我们说，TCP是面向连接的(connection-oriented)，也是可靠的传输。

虽然TCP是面向连接的，但是这种“连接”，不是端到端线路意义上的连接，也不是虚电路。TCP的连接，是保留在两个端系统的状态当中的。因此，中间路由器对TCP连接是视而不见的。

TCP提供的是全双工服务，数据可以从A到B，也能从B到A。同时，TCP是点对点的，TCP连接是单个发送方与单个接收方之间的连接，不能多播。（但这并不代表一个服务器不能与多个客户端建立连接，只是说，一个连接只能在两台主机之间，如果一台主机要接收另外两台主机的数据，需要为那两台主机分别建立TCP连接）

TCPconnection

TCP是怎样建立连接的（三次握手）？

  1. 首先，客户端先发送一个特殊的TCP报文段
  2. 服务器返回另一个特殊的报文段响应
  3. 客户端用第三个特殊报文段作为响应

前两个报文段，不承载“有效载荷”（不包含应用层的数据），仅仅是打招呼。后一个报文段，可以承载有效载荷。由于在这两台主机之间发送了 3 个报文段，所以这种连接建立的过程，我们称之为“三次握手”，稍后我们详细讨论。

TCP3wayhandshake

二、TCP报文段

TCP将应用程序的报文（message）分组，再为每个分组加上TCP首部，形成多个TCP报文段（TCP segment），再下传给网络层。报文段的首部如下图：

TCPsegment

首部包含了以下信息：

  1. 源端口号（source port） 和 目的端口号(destination port) ：各16位，因为16位最大能表示的数字是65535，所以端口号最大值也只能是65535。
  2. 序号字段(sequence number field) ：32位，用来实现可靠数据传输，例如一个500000字节的文件被分为500个TCP报文段，初始序号可以随意指定，后续的序号是前面序号+携带的字节数，例如初始序号79，每个报文段携带1000字节，第二个序号就是1079
  3. 确认号字段(Acknowledgement number field) ：32位，也是用来实现可靠数据传输，表示期望对方发送的下一字节的序号
  4. 接收窗口字段(receive windows field) ：16位，用于流量控制，表示接收方愿意接受的字节数量
  5. 首部长度字段(header length field) ：4位，TCP的首部长度是可变的，这个字段表示首部长度
  6. 选项字段(options field) ：不定位数，用作窗口调节因子
  7. 标志字段(flag field) ：6位，包括ACK、RST、SYN、FIN、PSH、URG，各占1位

我们主要关注三个点：

  1. 一个TCP头部需要包含出发端口和目的地端口。这些与IP头中的两个IP地址共同确定了连接。
  2. 每个TCP片段都有序号。这些序号最终将数据部分的文本片段整理成为文本流。
  3. 只有标志字段的ACK位设定的时候，确认号字段才有效。ACK确认号说明了接收方期待接收的下一个片段，所以ACK确认号为最后接收到的片段序号加1。

三、TCP连接的建立和断开

三次握手

前面提到，TCP建立连接的过程称为三次握手。其详细过程如下：

  1. 第一步：客户端先发送一个特殊的TCP报文段，不包含应用层数据。但首部标志字段的SYN位被置为1（称为SYN报文段），并随机指定一个初始序号（seq）。（为什么初始序号要随机，主要是安全方面考虑）。
  2. 第二步：服务器收到客户端的SYN报文段后，就会为该TCP连接分配TCP缓存和变量，并回复一个报文段（称为SYNACK报文段）。在这个回复报文段里，SYN位也是被置为1，确认号ack置为客户端刚刚发来的初始序号seq+1，并随机指定一个自己的初始序号seq。
  3. 第三步：客户端收到服务器的SYNACK报文段后，在客户端为该TCP连接分配缓存和变量，同时也回复了一个报文段，此时连接已经建立，所以SYN置为0，ACK确认号为服务器的初始序号seq+1，seq为自己第一步的seq+1

四次挥手

当TCP连接的任意一方想断开连接时，将会发起断开信号，连接结束后，主机里的TCP连接资源（缓存和变量）随即被释放。断开的过程需要通信四次，所以称为四次挥手。其详细过程如下：

  1. 第一步：客户端发起关闭连接命令。此时会向服务器发送一个特殊的报文段，标志字段的FIN位被置为1，随后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态，该状态表示客户端正在等待服务器的ACK确认。
  2. 第二步：服务器收到这个特殊的报文段后，回复一个确认报文段，收到这个确认报文段后，客户端进入 FIN_WAIT_2 状态，该状态表示客户端期望收到服务器的可以终止命令。
  3. 第三步：稍后，服务器也向客户端发起一个FIN位为1的特殊报文段，表示可以终止。
  4. 第四步：客户端回复一个确认报文段进行确认，之后进入 TIME_WAIT 状态等待30秒（目的是确认报文若丢失可以重传），之后连接断开。

tcp

四、TCP 为何可靠

“流”和次序

我们之前提到，Linux的哲学是“一切皆文件”，一切都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”的模式来操作。计算机程序之间的通信，是一个进程写入文本流(byte stream)，而另一个进程读取这个流。TCP协议虚拟了文本流的通信。

要知道，在两台相隔很远的主机中，隔着许许多多的路由器和交换机，因此数据发送的时候，先发的数据可能会后到。好在TCP协议确保了数据到达的顺序与文本流顺序相符。这就是为什么TCP报文段里面需要有序号的原因。TCP接收方将接收到的许许多多报文段按照序号排列起来，组成原始数据。

“收到请回复”

TCP为什么需要确认号呢？我们知道，TCP是全双工的协议，在A主机向B主机发送数据的同时，B主机也能向A主机发送数据（在同一个TCP连接中）。例如，A向B发送8字节数据时携带了序号，seq=79，B向A发数据时也需要携带一个序号seq=45，同时，“回复”确认收到了A主机seq=79的序号，并期望接收A主机seq=87（为什么不是80，因为前一个序号有8字节）的序号，所以就有了确认号ack=87。

也就是说，TCP发送方每发送一个报文段，接收方都会回复一个确认号。以确保这个片段收到了。比如已经接收到了片段1，片段2，片段3，那么接收方就开始期待片段4。值得注意的是，如果此时收到了片段5 片段6，也不会丢弃，会暂时存起来，等到片段4到达再拼接，但是如果此时收到了片段9，那么接收方就可能拒绝接收了。

报文段丢了，重发

IP协议是不可靠的，也就是说，交付给网络层的报文段，可能会传着传着就丢了。那咋办？ TCP有一个定时器超时，规定如果一段时间之后，还没有收到接收方的确认（ACK），就默认这个报文段丢了。就会重新发一个过去，直到接收方回复确认收到。

那么，如果说，这个报文段发过去了，接收方也接收到了。接收方返回给发送方的“确认”信息丢了，怎么办呢？ 这种情况下，发送方依然会重发。 接收方一看，咦你居然发了两个一样的报文段？就会自动丢弃其中的一个了，当然，还要给发送方再发一次“收到”回复，以免发送方孜孜不倦、不辞劳苦地一直重发、一直重发。

五、滑窗

我们已经知道，TCP发送方片段1发出去，接收方回复ACK已收到1，发送方再发片段2，接收方再回复ACK已收到2......

在这种模式下，发送方保持发送->等待ACK->发送->等待ACK...的状态，虽然很“可靠”，但是效率太慢了。为了提高效率，同时发多个片段，又怕后发的先到了，怎么办呢？

我们可以这么做：利用缓存保留一些“不那么乱”的片段，期望能在短时间内补充上之前的片段(暂不处理，但发送相应的ACK)；对于“乱”的比较厉害的片段，则将它们拒绝(不处理，也不发送对应的ACK)。

滑窗(sliding window)被同时应用于接收方和发送方，以解决以上问题。发送方和接收方各有一个滑窗。当片段位于滑窗中时，表示TCP正在处理该片段。滑窗中可以有多个片段，也就是可以同时处理多个片段。滑窗越大，越大的滑窗同时处理的片段数目越多(当然，计算机也必须分配出更多的缓存供滑窗使用)。

TCP有专门的算法动态调整滑窗的大小。

六、TCP拥塞控制

在TCP协议中，我们使用连接记录TCP两端的状态，使用序号和分段保证了TCP传输的有序，使用滑窗（中的某些机制）来实现发送方和接收方处理能力的匹配，并使用重复发送来实现TCP传输的可靠性。

一切看似都很美好，但是，随着互联网的发展，越来越多的主机之间要相互发送数据，有时候中间路由器会处理不过来从而发生丢包，一丢包，这些基于TCP的主机就又重新发送，路由器不堪重负，就会发生更严重的丢包，构成了一个恶性循环。这称为堵塞崩溃。

因此，为了避免发送堵塞崩溃，TCP加入了拥塞控制机制。当TCP发送方探测到网络拥堵时，会控制自己发送片段的速率，以缓解网络的交通状况。

如何探测网络拥堵

当发生ACK超时和重复ACK。发送方就认为TCP片段丢失，则认为网络中出现堵塞。

如何控制速率

TCP协议通过控制滑窗(sliding window)大小来控制发送速率。在TCP滑窗管理中，有一个窗口限制，就是advertised window size，以实现TCP流量控制。TCP还会维护一个congestion window size，以根据网络状况来调整滑窗大小。真实滑窗大小取这两个滑窗限制的最小值，从而同时满足两个限制 (流量控制和堵塞控制)。

（TCP拥塞控制和滑窗的内容来自vamei的博客，vamei写得太好了，值得好好学习）

贡献者: jerrysheh