【计算机网络复习】TCP简单入门

TCP 的优点

与UDP相比，TCP可靠、面向连接。她有如下的一些特点：

1. 面向连接；
2. 是点到点的；
3. 提供可靠的交付服务，并且传送的数据无差错、不丢失、不重复并且有序；
4. 全双工（双方都需要维护发送以及接受缓存）；
5. 面向字节流的（seq,ack都是针对字节流的）

TCP报文

TCP Header Format


    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                            TCP Header Format

具体的阐述参见：RFC TCP。

与UDP相同的是，TCP的校验也采用伪首部，具体细节同样参见RFC 793。

options可以用于确定MSS大小，最终取双方中较小值。

TCP连接的建立

TCP连接需要来回发送一共三条报文，也就是大名鼎鼎的“三次握手”。

TCP A                                                TCP B

  1.  CLOSED                                               LISTEN

  2.  SYN-SENT    --> <SEQ=100><CTL=SYN>               --> SYN-RECEIVED

  3.  ESTABLISHED <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK>  <-- SYN-RECEIVED

  4.  ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK>       --> ESTABLISHED

  5.  ESTABLISHED --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK><DATA> --> ESTABLISHED

          Basic 3-Way Handshake for Connection Synchronization

首先，TCP A发送一条报文（进入SYN-SENT状态），其中SYN位置1，表示这是一条请求TCP连接建立的报文；

其次，当TCP B接受到SYN位置1的报文时（进入SYN-RECEIVED状态），它发送一条SYN,ACK位均置1的报文，其中报文的ack号是接收到的报文seq加一（需要注意的是，上图2中的报文是没有携带任何数据的，但是依然需要消耗一个序列号！）；

最后，接收到TCP B发送报文的TCP A进入ESTABLISHED状态，并发送一条只有ACK置1的报文（这一条报文可以携带数据），表示连接建立成功。

为什么需要三次握手？

stackoverflow上的讨论
牛客网上的面经

概括一下，三次握手可以防止old deplicated syn，避免服务器的资源空耗，统一双方的seq以及ack。

TCP连接的释放

TCP A                                                TCP B

  1.  ESTABLISHED                                          ESTABLISHED

  2.  (Close)
      FIN-WAIT-1  --> <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK>  --> CLOSE-WAIT

  3.  FIN-WAIT-2  <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=ACK>      <-- CLOSE-WAIT

  4.                                                       (Close)
      TIME-WAIT   <-- <SEQ=300><ACK=101><CTL=FIN,ACK>  <-- LAST-ACK

  5.  TIME-WAIT   --> <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK>      --> CLOSED

  6.  (2 MSL)
      CLOSED

                         Normal Close Sequence

1.数据传输结束后，客户端的应用进程发出连接释放报文段，并停止发送数据，客户端进入FIN_WAIT_1状态，此时客户端依然可以接收服务器发送来的数据。

2.服务器接收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号为收到的序号+1，服务器进入CLOSE_WAIT状态。客户端收到后进入FIN_WAIT_2状态。

3.当服务器没有数据要发送时，服务器发送一个FIN报文，此时服务器进入LAST_ACK状态，等待客户端的确认

4.客户端收到服务器的FIN报文后，给服务器发送一个ACK报文，确认序列号为收到的序号+1。此时客户端进入TIME_WAIT状态，等待2MSL（MSL：报文段最大生存时间），然后关闭连接。

四次挥手的原因

四次挥手的原因：由于连接的关闭控制权在应用层，所以被动关闭的一方在接收到FIN包时，TCP协议栈会直接发送一个ACK确认包，优先关闭一端的通信。然后通知应用层，由应用层决定什么时候发送FIN包。应用层可以使用系统调用函数read==0来判断对端是否关闭连接。

可靠传输机制

1. 序号

   TCP为字节流维护序号，确保了数据在传递时的有序性

2. 确认

   TCP报文中指出希望对方发送的下一个报文的序号，并使用累计确认机制。该机制可以用于及时发现哪些报文丢失，及时重传

3. 重传

   在两种情况下重传：1. 报文段的计时器超时；2. 收到了冗余ACK

流量控制

着眼于点到点，确保连接双方的速率匹配，接收方通过TCP 报文中的rwnd字段来告诉发送方它还有多大的接受缓冲空间。

拥塞控制

着眼于网络全局，通过拥塞控制算法，TCP估计当前网络负载能力，计算出cwnd，最终发送方发送的报文大小取cwnd以及rwnd中的较小值。

拥塞控制算法v1：

1. 设置ssthresh；

2. 设置cwnd=1；

3. 进入指数增长阶段，每一个RTT，将cwnd翻倍（另一种表述：每接受到一个ack，cwnd++）;如果发现2*cwnd > ssthresh,令cwnd=ssthresh，进入3；如果出现网络拥堵（报文超时），那么将ssthresh = cwnd/2（至少为2）,然后进入1；
4. 进入加性增阶段，每一个RTT,cwnd++；如果出现网络拥堵（报文超时），那么将ssthresh = cwnd/2（至少为2）,然后进入1；

算法v1存在一些问题：很多时候我们很难及时察觉出网络的阻塞。为此，我们引入快重传以及快恢复方法：

1. 快重传：如果收到某一个报文的连续3次ack，那么重传对应序号报文；
2. 快恢复：如果收到某一个报文的连续3次ack，那么设置ssthresh = cwnd/2,cwnd=ssthresh

一些细节问题

1. TCP 中的滑动窗口机制

   

   可以看出，在使用滑动窗口机制下，即使一些ack没有成功收到，也有可能不会导致重发，因为之后的ack一旦收到，之前的所有报文也都一定被收到。

2. 流量控制中的探测

   如前文所述，流量控制中的窗口大小是通过接收方的报文通知发送方的，因此，如果发送方在以为接收方没有任何缓冲区空间之后，接收方通知有新的缓冲区空间报文丢失，就会导致发送方“饥饿”。为此，发送方会在一个RTO之后尝试发送一个报文，通过接收方的ACK探测当前是否有新的缓冲区空间。

3. 拥塞控制中的ssthresh

   《图解TCP/IP》中指出，TCP通信的开始不会直接指出ssthresh的值，而是在第一次网络拥塞之后计算出。

4. 快恢复的cwnd

   《图解TCP/IP》中的说法是ssthresh+3，加3 的原因是因为收到3个重复的ACK。