TCP协议

tcp



一、TCP协议

1.网络模型

1）七层网络模型

• 这个七层网络模型在数据的传输过程中还会对数据进行封装，应用层封装之后形成应用层协议数据单元（Protocal Data Unit，PDU），在接收端会进行解封装

2）五层网络模型

• 大学教科书常用

3）四层网络模型

• TCP/IP分层模型（TCP/IP Layer Model），使用最为广泛，又叫因特网分层模型（Internet LayerModel）或因特网参考模型（Internet Reference Model）

• 该分层并不包含数据链路层和物理层，必须与其他协议协同工作

1.网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。TCP/ip协议自身并不定义与数据链路层和物理层相对应的功能，本层则定义这些

2.网间层对应于OSI七层网络协议的网络层。本层包含IP协议，RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）协议，负责数据的包装、寻址和路由、ICMP（Internet Control message Protocol，网间控制报文协议）协议用来提供网络诊断信息

3.传输层对应于OSI七层网络协议的传输层，他提供两种端到端协议TCP和UDP

4.应用层对应于OSI七层网络协议的应用层和表示层，

• 总结（应该记忆的内容）：

1.TCP协议在第四层传输层

2.IP协议在第三层网络层

3.ARP协议在第二层数据链路层

4.数据链路层的数据叫帧（Frame），网络层的数据叫包（Packet），传输层的数据叫段（Segment）

5.所有数据首先会被打包到TCP的segment中，然后TCP的segment会打包到IP的packet中，然后再打包到以太网的Frame中。传输到对端后再解封装

2.TCP头部    P191

• 16位源端口号：
• 16位目的端口号：递交给哪个上层协议或者应用程序（目的端口）
• 32位序号：建立TCP连接时序号值被初始化为某个随机值ISN（随机序号值），后续的TCP报文段中的序号值被设置为ISN加上该报文段所携带的数据的第一个字节在整个字节流中的偏移
• 32位确认序号：用作对另一方发送来的TCP报文的相应，其值是接收到的TCP报文段的序号值加1
• 4位头部长度：标识该头部有多少32bit，最大为15*4 = 60Byte
• 保留6位
• URG：紧急指针是否有效
• ACK：是否是确认报文
• PSH：
• RST：要求对方重建连接，复位报文
• SYN：请求建立连接，同步报文
• FIN：通知本端要关闭连接，结束报文
• 16位窗口大小：本端的TCP缓冲区还能容纳多少字节
• 16位校验和：采用CRC循环冗余校验，这个校验不仅校验头部，也会校验数据部分，是TCP可靠传输的保障
• 16位紧急指针

总结：

1.TCP包没有IP地址，那是网络层上事，但是有源和目的端口

2.一个TCP需要五个元组来表示是同一个连接：src_ip,src_port,dst_ip,dst_port和协议

3.32位序号是包的序号，用来解决网络包乱序的问题

4.ACK用于接收确认，解决丢包问题

5.窗口就是著名的滑动窗口，用于解决流控问题

6.6个bit的TCP Flag如上，确认包的类型，用于操控TCP状态机

3.TCP状态流转  P193

• TCP建立连接需要进行三次握手，而TCP终止连接则需要四次握手

1）建立连接

//一开始客户端和服务器端都处在closed状态，其中服务器端处在LISTEN监听状态

1.第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN（同步报文）包（SYN = 1，seq = x）到服务器，并且进入SYN-SEND状态，等待服务器确认

2.第二次握手：服务器收到SYN包，必须对该包进行回应（发送ACK = 1包且ack = x+1），同时自己也发送一个SYN信息（SYN = 1,seq = y），即发送一个SYN+ACK包，此时服务器进入SYN-RECV状态

3.第三次握手：客户端接收到服务器的SYN+ACK包，想服务器发送确认包ACK（ACK = 1，seq = x+1，ack = y+1），此包发送完毕后客户端进入ESTABLISHED状态，服务器接收到之后也进入ESTABLISHED状态

• 在建立连接的时候，通信的双方要互相确认最大报文长度（Maximum Segement Size，MSS），以便通信。
• 为什么需要三次握手：对于建立连接的三次握手，主要是要初始化sequence Number的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化Sequence Number值，所以这个过程也叫SYN同步。也就是上图中的x和y，这个序号要作为以后通信使用的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输问题而乱序（TCP会使用这个序号来拼接数据）

2）结束连接

• TCP有一个特别的概念叫做半关闭。TCP的连接是全双工的，即可以同时发送和接收。因此在关闭连接的时候，必须关闭收和发两个方向上的连接。

• 客户机给服务器送一个结束报文（FIN = 1，seq = u），然后服务器返回给客户端一个确认报文（ACK = 1,ack = u+1,seq = v），至此客户端发送到服务器端的数据通道关闭了；然后服务器端先传完未传输完成的数据，传输完成后，服务器给客户端也发送一个结束报文（FIN = 1，ACK = 1，ack = u+1，seq = w，注意这里用的是序号w），客户端返回给服务器一个确认报文（ACK = 1，ack = w+1,seq = u+1）。至此四次握手结束，连接关闭
• 为什么要进行四次握手：因为TCP是全双工的，所以发送方和接收方都需要FIN和ACK，一方发送完数据之后，才会发送自己的FIN。不过有一方是被动的，所以看上去就成为了所谓的四次挥手。
• 

• TCP状态转换图如上所示，各个状态的意思如下：

1.CLOSED：表示初始状态

2.LISTEN：表示服务器端的某个socket处于监听状态，可以接受连接

3.SYN_SENT：在服务器端监听（LISTEN）后，客户端socket执行CONNECT连接时，客户端发送SYN报文，此时客户端就进入SYN_SENT状态，等待服务器的确认

4.SYN_RCVD：表示服务端接收到了SYN报文。通常，这是服务器端在三次握手过程中间一个中间状态，很短暂。在这种状态下，一旦接收到了客户端的ACK报文就会进入到ESTABLISHED状态

5.ESTABLISHED：表示连接已经建立

6.FIN_WaiT_1:在已经建立连接的情况下，一方主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该socket即进入到FIN_WAIT_1状态，当接收到对方回应的ACK报文之后，就会进入FIN_WAIT_2状态，也是一个很短暂的状态。

7.FIN_WAIT_2：处于FIN_WAIT_2状态下的socket表示半连接。即有一方要求关闭连接，并且发送了FIN接收到了ACK关闭了己方的发送，但对方还有数据没发送完成，所以让关闭发起方稍作等待，发送完数据再关闭另一半连接。在这个状态下，主动关闭方还能够接收数据，但是没有办法发送数据了。

8.TIME_WAIT：表示关闭的发起方收到了对方的FIN报文，并且发送了ACK报文。等待2MSL之后即可回到CLOSED可用状态。

MSL（Maximum Segement Lifetime）：报文最大生存时间。 等待2MSL时间主要目的是怕最后一个ACK包对方没收到，那么对方在超时后将重发第三次握手的FIN包，主动关闭端接到重发的FIN包后可以再发一个ACK应答包

如果在FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带有FIN和ACK标识的报文时，可以直接进入TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态

9.CLOSING：双方同时发送FIN报文，在接收到ACK报文之前就接收到了单独的FIN报文，就会进入CLOSING状态，这是一个比较少见的状态，表示双方都正在关闭

10.close_wait：被动关闭方接收到对方的FIN报文，返回一个ACK报文之后，就会进入CLOSE_WAIT状态，这个状态是处理剩下没有发送完成的数据，如果不再有数据需要处理，那么就发送FIN给对方，转到下一个状态

11.LAST_ACK：被动关闭方在发送完FIN报文后，最后等待对方的ACK报文

12.CLOESD：当收到ACK报文后，即可进入到CLOSED报文可用状态

4.TCP超时重传  P196

• TCP数据传输的可能情况：

1.正常情况：数据顺利到达对端，对端发出ACK，己方顺利收到ACK

2.异常一：数据包中途丢失

3.异常二：数据包顺利到达，但对端异常未相应，没有发出ACK

4.异常三：数据包顺利到达对端，对端也发出了ACK，但是ACK报文中途丢失

//出现这些异常情况，TCP就会超时重传。TCP对每个报文会设置一个计时器，只有计时器设置的时间到了还没有收到确认，就要重传这一段报文。

• 超时重传的关键参数一：

1.RTO（Retransmission Timeout，超时重传时间）：指发端发送数据后，等待ACK报文的时间。过了这个时间没有收到ACK报文，就进行重传

//太长，重传慢，效率低性能差

//太短，重传频繁，增加网络负载，导致拥塞

• TCP协议必须适应两个方面是时延差异：

1.达到不同目的端的时延的差异

2.统一连接上的传输时延随业务量负载变化而出现的差异

• TCP采用自适应算法来适应互联网分组传输时延的变化。TCP监视每个连接的性能，由每一个TCP的连接情况推算出合适的RTO值，当连接时延性能变化时，TCP也能相应的自动修改RTO设定，以适应网络变化。
• 超时重传的关键参数二：

1.RTT（Round Trip Time,连接往返时间）：

• 由RTT计算RTO的算法如下所示：

1.先采样RTT，记录下最近几次的RTT

2.然后进行平滑计算SRTT：SRTT = alpha*SRTT + (1-alpha)*RTT;其中alpha取值为0.8~0.9

3.计算RTO：RTO = min(UBOUND,max(LBOUND,(beta*SRTT)))；其中UBOUND为最大的timeout值，LBOUND为最小的timeout值，beta取值为1.3~2.0

//在没有重传发生的时候的算法

• 如果发生重传就使用Karn算法：

1.一旦发生重传：

新的重传时间 = gama*（旧的重传时间）

2.没有发生重传的时候：再按照上面的方法根据报文的往返时延更新平均往返时延RTT

5.TCP滑动窗口  P200

• TCP滑动窗口主要有两个作用：一是提供TCP的可靠性，二是提供TCP的流控特性
• 体现了TCP面向字节流的设计思路
• 见2.TCP头部中，窗口字段是一个16bit的字段，它代表窗口的字节容量，为65535个字节。
• TCP选项字段还包含了窗口扩大因子，能够把窗口扩大到32bit
• TCP发送方缓存中的数据可以分成四类：

1.已经发送并且得到对端ACK

2.已经发送但是没有得到对端ACK

3.未发送但对端允许发送

4.未发送且对端不允许发送

//其中2，3称为TCP的发送窗口

//当接收到新的ACK对于发送窗口中后续字节的确认是，窗口会进行滑动

• TCP接收方的接收缓存可以分成三类：

1.已接收

2.未接收准备接收

3.未接收并不准备接收

//不存在已接收未回复ACK这种，因为回复必然马上发生

//其中未接收准备接收称为接收窗口

• TCP是双工的协议，会话的双方都可以同时接收、发送数据。TCP会话的双方都各自维护一个“发送窗口”和一个“接收窗口”
• 接收窗口的大小取决于应用、系统和硬件的限制。各自的发送窗口的大小则取决于对端的接收窗口的大小，应该和接收窗口相同。
• 滑动窗口实现面向流的可靠性来源于“确认重传机制”。TCP滑动窗口的可靠性也是建立在确认重传上的。

1.发送窗口只有在收到发送窗口内字节的ACK确认，才会移动发送窗口的左边界

2.接收窗口只有在前面所有的段都确认的情况下才会移动左边界，在前面还有字节未接收但收到后面字节的情况下，窗口也不会移动，并不对后续字节进行确认。以此确保对端会对这些数据重传

• TCP的流控特性：应用根据自身的处理能力变化，通过本端TCP接收窗口大小控制来对对端的发送窗口进行流量控制。

6.TCP拥塞控制  P202

• 网络的资源：计算机网络中的带宽、交换节点中的缓存和处理机等
• 拥塞：对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就可能变坏
• TCP的拥塞控制由四个核心算法构成：慢开始、拥塞避免、快速重传和快速回复

1）慢开始和拥塞避免

• 发送方维持一个叫做拥塞窗口cwnd的状态变量
• 设置一个门限叫慢开始门限ssthresh，
• TCP拥塞控制四个核心算法：

1.慢开始

2.拥塞避免

3.快速重传

4.快速恢复

//慢开始

//在每收到一个对新报文的确认之后，就把拥塞窗口的大小翻倍，直到cwnd > ssthresh为止

//cwnd < ssthresh：使用慢开始算法

//cwnd > ssthresh：使用拥塞避免算法

//cwnd == ssthresh：两者使用任意

//拥塞避免算法

//让拥塞窗口缓慢增长，每经过一个往返时间RTT就把发送方的cwnd加1，而不是加倍

//具体过程

1）TCP连接初始化，把cwnd设置为1（一个MSS大小，实际中该状态变量的大小应该是表示的字节数）

2）执行慢开始算法，cwnd按指数规律增长，直到cwnd = ssthresh为止，开始执行拥塞避免算法，cwnd按照线性增长

3）当网络发生拥塞时，把ssthresh值更新为拥塞前的一般，cwnd重新设置为1，按照步骤二执行

2）快速重传和快速恢复

• 快重传：

1.要求接收方：在收到失序的报文段（即编号没有对应上）后就立即发送重复确认，不用等待自己发消息时顺带发送

2.要求发送方：一连收到3个重复确认（第一个对正确报文的确认不算）就应当立即重传对方没有收到的报文段

//见上图

• 快恢复算法：

1.当发送方连续收到三个重复确认时，要执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减小一般。但是cwnd并不重置到1

2.发送发只认为网络可能拥塞，把cwnd设置为ssthresh大小

二、TCP网络编程API

• 网络层的IP地址可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。三元组（IP+协议+端口）就可以标识网络的进程
• 网络中的进程是通过socket来通信的
• socket起源于UNIX，遵循UNIX的基本模式，即：open ——write/read——close
• TCP/IP协议的应用程序通常采用应用程序接口，即UNIX BSD的套接字（socket）来实现网络进程之间的通信，也是一种通用的形式。
• accept发生在三次握手的哪个阶段：
• 连接在三次握手之后建立了TCP连接，从syn队列转移到accept队列，这个时候就可以调用accept函数获得此连接
• socket套接字的交互流程：共12步，与TCP交互流程的图相互对应 P206

• 其中服务器的read改为recv()write改为close。客户机的write改为send，read改为close
• 注意客户端的socket是主动打开的，发生在connect这一步，而服务器的socket是被动打开的，发生在接收到客户端的请求之后
• 三次握手全部发生在connect阶段
• 四次挥手发生在close阶段

1.socket函数

• socket函数用于创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket

//如果函数调用成功，会返回一个标识这个套接字的文件描述符。

//每个进程空间都有一个套接字描述符表，通过描述符在该表中查询套接字

//参数：

//domain：协议域/协议簇：如AF_INET等

//type：指定socket类型，如SOCK_STREAM等

//protocal：指定协议

int socket(int domain,int type,int protocal);

2.bind函数

• bind函数把一个地址族中的特定地址赋给socket

//调用成功返回0

//参数：

//sockfd：socket描述符

//addr：要绑定给socket的协议地址的指针

//addrlen：对应的地址的长度

int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

3.listen和connect函数

• 服务器在调用socket和bind之后就会调用listen来监听这个socket，会监听指定socket地址
• 客户端这时调用connect发出连接请求，服务器就会收到这个请求

//socket函数创建的socket默认是一个主动类型的，而listen函数将socket转换称为被动类型的，等待客户的连接请求

//参数

//sockfd：socket描述符

//backlog：相应socket可以排队的最大连接数

int listen(int sockfd,int backlog);

//客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接

//参数

//sockfd：socket描述符

//addr：要绑定给socket的协议地址的指针

//addrlen：对应的地址的长度

int connect(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

4.accept函数

• TCP服务器监听到客户端发送的连接请求之后，就会调用accept函数取接收请求。

//如果socket成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的socket描述字，代表与客户端的TCP连接

//参数

//sockfd：socket描述符

//addr：要绑定给socket的协议地址的指针

//addrlen：对应的地址的长度

//注意：accept的第一个参数是服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是一个全新的，描述连接的socket描述字。

//一个服务器通常只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的声明周期一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭

int accept(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

5.read和write函数

• 完成了上述的连接操作建立了连接，就可以进行网络I/O操作。如前所述，socket套接字是类似文件的。

read/write

recv/send

readv/writev

recvmsg/sendmsg

recvfrom/sendto：在无连接的数据报socket方式下，由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址

//其中最常用read/write

//参数：

//fd：socket描述字

//buf：缓冲区

//count：缓冲区大小

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count);

////参数：

//fd：socket描述字

//buf：缓冲区

//count：缓冲区大小

ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t count);

6.close函数

• 关闭相应的socket描述字

#include <unistd.h>

int close(int fd);

三、实现一个TCP server

四、TCP协议选项

• 使用setsockopt来进行设置

1.SO_REUSEADDR

• 这个套接字会通知内核，如果端口忙，但TCP状态位于TIME_WAIT状态，则可以重用端口

2.TCP_NODELAY和TCP_CORK

• 包的"Nagle化" P217
• 这两个选项都禁用了包的Nagle化：TCP_NODELAY不使用Nagle算法，不会将小包拼接成大包再发送。TCP_CORK会尽量每次发送最大的数据量，每次阻塞200ms再发送

3.NO_LINGER

• 控制close的操作。几种选项，关闭、强制关闭和优雅的关闭

4.TCP_DEFER_ACCEPT

• 推迟接受，在收到第一个数据之后才会创建连接
• 在三次握手之后，状态为SYN_RECV而不是ESTABLISHED。

5.SO_KEEPALIVE

• 用于保持连接检测对方主机是否奔溃，避免服务器永远阻塞与TCP连接的输入
• 任一方都没有数据发送的情况下，TCP自动给对方发送一个保持存活探测分节，用于判断对方是否崩溃

6.SO_SNDTIMEO和SO_RCVTIMEO

• 分别设置socket的发送和接收超时时间

7.SO_RCVBUF和SO_SNDBUF

• TCP必须为已经发送的数据保留一个副本，直到它被对端确认为止。UDP不保存应用程序的副本，因此不需要一个真的发送缓冲区
• 每个TCP套接字都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，可以使用这两个选项来改变默认缓冲区的大小

五、网络字节序与主机序

• 不同的cpu有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中的保存的顺序，称为主机序
• little endian：小端模式，将低位字节存放在内存的低地址端。符合人的第一观感，即低位值小放在低地址位
• big endian：大端模式，将低位字节存放在内存的高地址端。直观，地址从左到右由高到低，数值从左到右写出从低位到高位，一一对应不需要考虑对应关系
• java和网络协议都采用大端模式，因此也把big endian称为网络字节序。主机间进行通信必须把数据转换成网络字节序再进行通信

六、封包和解包

• 粘包的情况 P234
• UDP不会出现粘包，因为UDP是个数据包协议，两段数据之间是有界限的
• 粘包的发生情况：

1.在发送端，由于Nagle算法造成的发送端粘包

2.接收端在接收不及时的时候造成接收端粘包。TCP把接收到的数据放在接收缓冲区中，然后通知应用层取数据。如果应用层取数据取的不及时，就会造成TCP缓冲区放了很多段数据，造成粘包

• 对数据进行封包和拆包就能解决粘包的问题

封包就是给一段数据加上包头，数据包分为了包头和包体两部分内容。

包头其实就是一个大小固定的结构体

包头中有一个结构体变量表示包体的长度，根据固定的包头长度以及包头中含有的包体长度的变量值，就能够正确的拆分出一个完整的数据包

• 接收和发送一个字符串、接收和发送一个结构体

1.int等类型在传输过程中，需要在发送端通过htonl转换成网络字节序，而在接收端需要通过ntohl函数转换成为主机字节序

2.注意发送和接收方式，通过设置接收和发送的buffer大小可以规定某次接收/发送多少数据

3.注意结构体的打包方式，使用memcpy来进行打包，并且要对结构体内的逐个元素进行打包，对有需要的进行字节序转换

4.sizeof对于字符串数组和字符指针，计算的是其长度。而不是指针所占内存大小

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