【网络原理】TCP协议详细解析

文章目录

🌲TCP协议的概念
- 🌸TCP协议段格式
- 🌸TCP的特性
🌳TCP原理详解
- 🌸确认应答机制（安全机制）
- 🌸超时重传机制（安全机制）
- 🌸连接管理（安全机制）
- 🌸滑动窗口（效率机制）
- 🌸流量控制（安全机制）
- 🌸拥塞控制（安全机制）
- 🌸延迟应答（效率机制）
- 🌸捎带应答（效率机制）
🎍面向字节流的粘包问题
- 🌸思考：
🌴TCP异常情况
⭕TCP小结

🌲TCP协议的概念

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

🌸TCP协议段格式

在这里插入图片描述

源/⽬的端⼝号: 表⽰数据是从哪个进程来, 到哪个进程去
32位序号/32位确认号: 后⾯详细讲
4位TCP报头⻓度: 表⽰该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节); 所以TCP头部最⼤⻓度是15 *4 = 60
6位标志位:
◦ URG: 紧急指针是否有效
◦ ACK: 确认号是否有效
◦ PSH: 提⽰接收端应⽤程序⽴刻从TCP缓冲区把数据读⾛
◦ RST: 对⽅要求重新建⽴连接; 我们把携带RST标识的称为复位报⽂段
◦ SYN: 请求建⽴连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报⽂段
◦ FIN: 通知对⽅, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报⽂段
16位窗⼝⼤⼩: 后⾯再说
16位校验和: 发送端填充, CRC校验. 接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 此处的检验和不光包含TCP⾸部, 也包含TCP数据部分.
16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;
40字节头部选项: 暂时忽略;

🌸TCP的特性

TCP提供一种面向连接的, 可靠的字节流服务;
在一个TCP连接中，仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP;
TCP使用校验和, 确认应答和超时重传机制来保证可靠传输;
TCP使用累积确认
TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

🌳TCP原理详解

TCP对数据传输提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。

这些机制和多线程的设计原则类似：保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。

🌸确认应答机制（安全机制）

确认应答机制图示如下
在这里插入图片描述
TCP将每个字节的数据都进⾏了编号. 即为序列号.

每⼀个ACK都带有对应的确认序列号, 意思是告诉发送者, 我已经收到了哪些数据; 下⼀次你从哪⾥开始发.

🌸超时重传机制（安全机制）

在这里插入图片描述

有了确认应答后，我们的可靠性已经得到大大的提升，但是UDP中出现的丢包问题还是没有得到解决
意思也就是主机A向主机B发送数据，一定时间后，并没有收到应答，这里主机A没有收到应答报文有两种情况

• 主机A发送数据给B之后, 可能因为⽹络拥堵等原因, 数据⽆法到达主机B;
• 如果主机A在⼀个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进⾏重发;
但是, 主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了;

这两种情况都当成第一种情况处理，客户端会进行重传数据
在这里插入图片描述
因此主机B会收到很多重复数据. 那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包, 并且把重复的丢弃掉.
这时候我们可以利⽤前⾯提到的序列号, 就可以很容易做到去重的效果.（这里的主机B这里接收就像一个优先级的队列，我们会对传来的数据按照序列号进行排序，如果序列号相同，该队列还可以起到一个去重的效果）

那么, 如果超时的时间如何确定?
• 最理想的情况下, 找到⼀个最⼩的时间, 保证 “确认应答⼀定能在这个时间内返回”.
• 但是这个时间的⻓短, 随着⽹络环境的不同, 是有差异的.
• 如果超时时间设的太⻓, 会影响整体的重传效率;
• 如果超时时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包;

TCP为了保证⽆论在任何环境下都能⽐较⾼性能的通信, 因此会动态计算这个最⼤超时时间.

• Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为⼀个单位进⾏控制, 每次判定超时重发的
超时时间都是500ms的整数倍.
• 如果重发⼀次之后, 仍然得不到应答, 等待 2500ms 后再进⾏重传.
• 如果仍然得不到应答, 等待 4500ms 进⾏重传. 依次类推, 以指数形式递增.
• 累计到⼀定的重传次数, TCP认为⽹络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接.

🌸连接管理（安全机制）

由于这里内容较多，博主单独写了一篇进行介绍，大家可以博主写的TCP三次握手四次挥手详解进行学习观看。

🌸滑动窗口（效率机制）

博主在这篇TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制有详细讲解

🌸流量控制（安全机制）

博主在这篇TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制有详细讲解

🌸拥塞控制（安全机制）

博主在这篇TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制有详细讲解

🌸延迟应答（效率机制）

如果接收数据的主机⽴刻返回ACK应答, 这时候返回的窗⼝可能⽐较⼩.

假设接收端缓冲区为1M. ⼀次收到了500K的数据; 如果⽴刻应答, 返回的窗⼝就是500K;
• 但实际上可能处理端处理的速度很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
• 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到⾃⼰的极限, 即使窗⼝再放⼤⼀些, 也能处理过来;
• 如果接收端稍微等⼀会再应答, ⽐如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗⼝⼤⼩就是1M;

⼀定要记得, 窗⼝越⼤, ⽹络吞吐量就越⼤, 传输效率就越⾼. 我们的⽬标是在保证⽹络不拥塞的情况下
尽量提⾼传输效率;

那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;

• 数量限制: 每隔N个包就应答⼀次;
• 时间限制: 超过最⼤延迟时间就应答⼀次

在这里插入图片描述

🌸捎带应答（效率机制）

在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是 “一发一收” 的。

意味着客户端给服务器说了 “How are you”，服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”；

那么这个时候ACK就可以搭顺风车，和服务器回应的 “Fine，thank you” 一起回给客户端
在这里插入图片描述

🎍面向字节流的粘包问题

首先我们需要明确的是

我们在开发中，创建一个TCP的socket，同时在内核中创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区

• 调⽤write时, 数据会先写⼊发送缓冲
• 如果发送的字节数太⻓, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
• 如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区⾥等待, 等到缓冲区⻓度差不多了, 或者其他合适的时机发
送出去;
• 接收数据的时候, 数据也是从⽹卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;
• 然后应⽤程序可以调⽤read从接收缓冲区拿数据;
• 另⼀⽅⾯, TCP的⼀个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这⼀个连接, 既可以读数据,
也可以写数据. 这个概念叫做全双⼯

由于缓冲区的存在，TCP程序的读和写不需要一一匹配，例如

写100个字节数据时，可以调用一次write写100个字节，也可以调用100次write，每次写一个字节；
读100个字节数据时，也完全不需要考虑写的时候是怎么写的，既可以一次read 100个字节，也可以一次read一个字节，重复100次；

那什么是粘包问题呢？

首先要明确，粘包问题中的 “包” ，是指的应用层的数据包。

在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段，但是有一个序号这样的字段。

站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。

站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。

那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个完整的应用层数据包。

那么如何避免粘包问题呢？

归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界