堅(jiān)持苦學(xué) TCP，終于把 TCP 協(xié)議給學(xué)明白了

作者：程序員蛋蛋 2022-02-15 08:30:04

網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)

下面會(huì)通過介紹 TCP 的首部格式進(jìn)行展開，一一闡述 TCP 三次握手、四次揮手、滑動(dòng)窗口、擁塞控制、流量控制和 UDP 協(xié)議。

TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就相當(dāng)于不間斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

TCP 之所以能夠提供可靠傳輸就在于通過校驗(yàn)和、序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答、重發(fā)控制、連接管理以及窗口控制等機(jī)制去實(shí)現(xiàn)的。

下面會(huì)通過介紹 TCP 的首部格式進(jìn)行展開，一一闡述 TCP 三次握手、四次揮手、滑動(dòng)窗口、擁塞控制、流量控制和 UDP 協(xié)議。

TCP首部格式

源端口號(hào)：表示發(fā)送端的端口號(hào)，字段長 16 位。
目標(biāo)端口號(hào)：表示接收端端口號(hào)，字段長度 16 位。
序列號(hào)：字段長 32 位。序列號(hào)是指發(fā)送數(shù)據(jù)的位置。每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，就累加一次該數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的大小。序列號(hào)不會(huì)從0開始，是在建立連接的時(shí)候由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成一個(gè)數(shù)作為初始值，通過 SYN 包傳給接收端主機(jī)。
確認(rèn)應(yīng)答號(hào)：長度是 32 位。是指下一次應(yīng)該收到的數(shù)據(jù)的序列號(hào)。發(fā)送端收到這個(gè)確認(rèn)應(yīng)答以后可以認(rèn)定這個(gè)序號(hào)之前的數(shù)據(jù)都已經(jīng)被正常接收。
數(shù)據(jù)偏移：表示數(shù)據(jù)開始的地方離 TCP 起始處有多遠(yuǎn)。實(shí)際上也就是表示 TCP 首部的長度。
保留：該字段是為了以后擴(kuò)展時(shí)使用，長度是 4 位。
控制位：長度為 8 位。每一位從左到右分別是 CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。具體我會(huì)在講解 TCP 三次握手和四次揮手再重點(diǎn)說明。
窗口大小：該字段用于通知相同 TCP 首部的確認(rèn)應(yīng)答所指位置開始能接受的數(shù)據(jù)大小。TCP不允許發(fā)送超過該大小的數(shù)據(jù)。
校驗(yàn)和：由發(fā)送端填充，接收端對TCP報(bào)文段執(zhí)行CRC算法以檢驗(yàn)TCP報(bào)文段在傳輸過程中是否損壞。注意，這個(gè)校驗(yàn)不僅包括TCP頭部，也包括數(shù)據(jù)部分。這也是TCP可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要保障。
緊急指針：該字段表示本報(bào)文中緊急數(shù)據(jù)的指針。從數(shù)據(jù)部分的首位到緊急指針?biāo)肝恢脼橹篂榫o急數(shù)據(jù)。
選項(xiàng)：用于提高 TCP 的傳輸性能，是可變長的可選信息。最多包含 40 字節(jié)。

TCP 三次握手

三次握手

三次握手說明：

由客戶端發(fā)送建立 TCP 連接的請求報(bào)文，報(bào)文中包含 seq 序列號(hào)，是由發(fā)送端隨機(jī)生成的，并且將報(bào)文中的 SYN 字段設(shè)置為 1，表示需要建立 TCP 連接，客戶端進(jìn)入 SYN_SEND 狀態(tài)。(SYN=1.seq=x,x代表隨機(jī)生成的數(shù)值)
由服務(wù)器端回復(fù)客戶端發(fā)送的 TCP 連接請求報(bào)文，其中包含 seq 序列號(hào)，是由回復(fù)端隨機(jī)生成的，并且將 SYN 設(shè)置為 1,也會(huì)產(chǎn)生一個(gè) ACK 字段，字段值是在客戶端發(fā)送過來的序列號(hào) seq 基礎(chǔ)上加 1,以便客戶端收到信息時(shí)，知道自己的 TCP 建立請求已經(jīng)得到驗(yàn)證,服務(wù)端進(jìn)行 SYN_SEND 狀態(tài)。(SYN =1,ACK = x+1,seq=y,y為隨機(jī)生成數(shù)值)
客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的 TCP 建立驗(yàn)證請求后，會(huì)使自己的序列號(hào)加 1 表示，并且再次回復(fù) ACK 驗(yàn)證請求，在服務(wù)端發(fā)過來的 seq 上加 1 進(jìn)行回復(fù)，客戶端進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)端接收到請求，也進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，TCP 握手結(jié)束。(SYN = 1,ACK = y+1,seq = x+1)

為什么三次握手?

1.檢查雙方是否都具備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力

TCP 是基于全雙工的可信傳輸協(xié)議，也就意味著數(shù)據(jù)可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。在建立三次握手的過程中也就是在檢驗(yàn)雙方發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力是否具備。

第一次握手，這時(shí)候客戶端知道自己具備了發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，但還不知道服務(wù)端是否有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。

第二次握手，當(dāng)服務(wù)端接收到報(bào)文后，回復(fù)確認(rèn)報(bào)文，此時(shí)服務(wù)端知道客戶端具有發(fā)送報(bào)文的能力，并且知道自己具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，但還不知道客戶端是否具有接收數(shù)據(jù)的能力。

第三次握手，當(dāng)客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)報(bào)文后，知道服務(wù)端具備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，因?yàn)榉?wù)端還不知道客戶端具備接收數(shù)據(jù)的能力，所以還需要發(fā)送一個(gè)確認(rèn)報(bào)文，告知服務(wù)端自己是具有接收能力的。

2.防止重復(fù)連接

在網(wǎng)絡(luò)狀況比較復(fù)雜或比較差的情況下，發(fā)送方可能會(huì)連續(xù)發(fā)送多次建立連接的請求。如果 TCP 握手的次數(shù)只有兩次，那么接收方只能選擇接受請求或者拒絕連接請求，但并不清楚這次的請求是否是正常的請求。

如果是三次握手的話，客戶端在接收到服務(wù)端 seq+1 的消息之后，通過對比，就可以判斷當(dāng)前連接是否是歷史連接，如果是的話就會(huì)發(fā)送終止報(bào)文給服務(wù)端終止連接。如果不是歷史連接就發(fā)送確認(rèn)報(bào)文建立連接。

四次揮手

建立一個(gè) TCP 連接需要三次握手，而終止一個(gè) TCP 連接需要經(jīng)過四次揮手，這是由于 TCP 的半關(guān)閉特性造成的，TCP 提供了連接的一端在結(jié)束它的發(fā)送后還能接收來自另一端數(shù)據(jù)的能力。

四次揮手

第一次揮手：客戶端發(fā)送一個(gè) FIN 報(bào)文(請求連接終止：FIN = 1)，報(bào)文中會(huì)指定一個(gè)序列號(hào) seq = u。并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)，但依然能夠接收數(shù)據(jù)，主動(dòng)關(guān)閉 TCP 連接。此時(shí)客戶端處于 FIN_WAIT-1 狀態(tài)，等待服務(wù)端確認(rèn)。

第二次揮手：服務(wù)端收到 FIN 之后，會(huì)發(fā)送一個(gè) ACK 報(bào)文，且把客戶端的序號(hào)值 +1 作為 ACK 報(bào)文的序列號(hào)值，表明已經(jīng)收到客戶端的報(bào)文了，此時(shí)服務(wù)端處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)。客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)后，進(jìn)入 FIN-WAIT-2 狀態(tài)，等待服務(wù)端發(fā)出的連接釋放報(bào)文段。

前兩次揮手既讓服務(wù)端知道了客戶端想釋放連接，也讓客戶端知道了服務(wù)端了解了自己想要釋放連接的請求。于是，可以確認(rèn)關(guān)閉客戶端到服務(wù)端方向上的連接的。

第三次揮手：如果服務(wù)端也想斷開連接，會(huì)發(fā)送 FIN 報(bào)文，且指定一個(gè)序列號(hào)。此時(shí)服務(wù)端處于 LAST_ACK 狀態(tài)，等待客戶端的確認(rèn)，并停止向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，但服務(wù)端仍能夠接收從客戶端傳輸過來的數(shù)據(jù)。

第四次揮手：客戶端收到 FIN 之后，一樣發(fā)送一個(gè) ACK 報(bào)文作為應(yīng)答(ack = w+1)，且把服務(wù)端的序列值 +1 作為自己 ACK 報(bào)文的序號(hào)值(seq=u+1)，此時(shí)客戶端處于 TIME_WAIT 狀態(tài)，并在這個(gè)狀態(tài)等待 2MSL。服務(wù)端收到從客戶端發(fā)出的 TCP 報(bào)文之后結(jié)束 LAST-ACK 階段，進(jìn)入 CLOSED 階段。

客戶端等待完 2MSL 之后，結(jié)束 TIME-WAIT 階段，進(jìn)入 CLOSED 階段，由此完成四次揮手。

為什么客戶端在 TIME-WAIT 階段要等 2MSL?

為的是確認(rèn)服務(wù)端是否收到客戶端發(fā)出的 ACK 確認(rèn)報(bào)文。

當(dāng)客戶端發(fā)出最后的 ACK 確認(rèn)報(bào)文后，并不能確定服務(wù)端能夠接收到，所以在發(fā)完之后，等待 2MSL，服務(wù)端在 1MSL 內(nèi)沒有收到客戶端發(fā)出的 ACK 確認(rèn)報(bào)文，就會(huì)再次向客戶端發(fā)出 FIN 報(bào)文。

窗口滑動(dòng)

TCP 以 1 個(gè)段為單位，每發(fā)一個(gè)段就要進(jìn)行一次確認(rèn)應(yīng)答的處理。這種傳輸方式有個(gè)缺點(diǎn)，包往返時(shí)間越長通信性能越低。

為了解決這個(gè)問題，引入了窗口這個(gè)概念。確認(rèn)應(yīng)答不再是以一個(gè)分段，而是以更大的單位進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)送端發(fā)了一個(gè)段后不需要一直等待確認(rèn)應(yīng)答，而是能夠繼續(xù)發(fā)送。

窗口大小就是指無需等待確認(rèn)應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值，窗口大小分為四個(gè)段。

如上圖所示，白色部分就是窗口，窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)即便沒有收到確認(rèn)應(yīng)答也可以發(fā)送出去。

滑動(dòng)窗口以外的部分包括尚未發(fā)送的數(shù)據(jù)和已經(jīng)確認(rèn)對端收到的數(shù)據(jù)。收到確認(rèn)應(yīng)答后，會(huì)將窗口滑動(dòng)到確認(rèn)應(yīng)答中的

序列號(hào)的位置。這樣就可以順序的將多個(gè)段同時(shí)發(fā)送提高通信性能。這種機(jī)制就是窗口滑動(dòng)機(jī)制。

窗口滑動(dòng)機(jī)制下重發(fā)處理

在使用窗口控制時(shí)，可能會(huì)遇到段丟失。在沒有使用窗口控制，沒有收到確認(rèn)應(yīng)答的數(shù)據(jù)會(huì)被重發(fā)，使用了窗口滑動(dòng)，默寫應(yīng)答即使丟失也不需要進(jìn)行重發(fā)。

結(jié)合下圖所示，當(dāng)某段報(bào)文丟失后，發(fā)送端會(huì)一直收到序號(hào) 1001 的確認(rèn)應(yīng)答，這個(gè)確認(rèn)應(yīng)答就像在提醒發(fā)送端"我想接收的是從 1001 開始的數(shù)據(jù)"。

出現(xiàn)報(bào)文丟失的情況下，同一個(gè)序號(hào)的確認(rèn)應(yīng)答會(huì)重復(fù)發(fā)送。當(dāng)發(fā)送端連續(xù)三次收到同一個(gè)應(yīng)答，就會(huì)將所對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，這種重發(fā)機(jī)制叫做高速重發(fā)機(jī)制。

流量控制

TCP 提供了一種機(jī)制可以讓發(fā)送端根據(jù)接收端的實(shí)際接收能力控制發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

接收端主機(jī)向發(fā)送端主機(jī)通知自己可以接收的數(shù)據(jù)大小，發(fā)送端就會(huì)發(fā)送不超過這個(gè)限度的數(shù)據(jù)。其實(shí)這個(gè)大小就是窗口大小，窗口大小的值是由接收端決定的。

擁塞控制

因?yàn)橛?jì)算機(jī)是個(gè)共享的環(huán)境，也有可能會(huì)因?yàn)槠渌鳈C(jī)之間的通信造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵時(shí)，突然發(fā)送一個(gè)較大量的數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，如果在通信一開始就發(fā)送大量數(shù)據(jù)，也會(huì)引發(fā)一些問題。

TCP 為了防止這個(gè)問題，會(huì)利用一個(gè)慢啟動(dòng)的算法，對發(fā)送數(shù)據(jù)量進(jìn)行控制。