TCP协议的相关特性
目录
一、TCP协议段格式
二、TCP原理
1、确认应答机制（安全机制）
2、超时重传机制（安全机制）
3、连接管理机制（安全机制）
4、滑动窗口（效率机制）
5、流量控制（安全机制）
6、拥塞控制（安全机制）
7、延迟应答（效率机制）
8、捎带应答（效率机制）
TCP，即Transmission Control Protocol，传输控制协议。人如其名，要对数据的传输进行一个详细的控制。
一、TCP协议段格式
• 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
• 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是 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
•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
二、TCP原理
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。
1、确认应答机制（安全机制）
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。
2、超时重传机制（安全机制）
- 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；
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。
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"。
- 但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。
- 如果超时时间设的太长，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；
3、连接管理机制（安全机制）
- [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端连接；
- [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求（同步报文段），就将该连接放入内核等待队 列中，并向客户端发送SYN确认报文。
- [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文，就进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了。
- [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接（调用close），服务器会收到结束报文段，服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT；
- [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接（需要处理完之前的数据）；当服务器真正调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN，此时服务器进入 LAST_ACK状态，等待最后一个ACK到来（这个ACK是客户端确认收到了FIN）
- [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭连接
客户端状态转化：
- [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect，发送同步报文段；
- [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数据；
- [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时，向服务器发送结束报文段，同时 进入FIN_WAIT_1；
- [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认，则进入FIN_WAIT_2，开始等待服务器的结束报文段；
- [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段，进入TIME_WAIT，并发出LAST_ACK；
- [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL（Max Segment Life，报文最大生存时 间）的时间，才会进入CLOSED状态。
4、滑动窗口（效率机制）
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000 个字节（四个段）。
- 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；
- 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；
- 操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有 应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
- 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；
5、流量控制（安全机制）
- 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 "窗口大小" 字段，通过ACK端通知 发送端；
- 窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
- 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端； 发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；
- 如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送 一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。
6、拥塞控制（安全机制）
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题。
因为网络上有很多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量的数据，是很有可能引起雪上加霜的。
TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；
- 此处引入一个概念程为拥塞窗口
- 发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
- 每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
- 每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为实际发送的窗口；
- 为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。
- 此处引入一个叫做慢启动的阈值
- 当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长
7、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；
8、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
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