计算机网络——TCP 协议总结

TCP 协议总结

1、主要特点

1. TCP 是面向连接的传输层协议；

2. 每一条 TCP 连接只能有两个端点（endpoint）；

3. TCP 提供可靠交付的服务；

4. TCP 提供全双工通信；

5. 面向字节流。

   端点：即套接字(socket)，套接字 socket = （IP地址：端口号） TCP连接 ::= {socket1，socket2} = {(IP1：port1)，(IP2：port2)}
   流：流入到进程或从进程流出的字节序列。
   面向字节流：TCP 把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串无结构的字节流，并不知道所传送的字节流的含义。
   

2、TCP 和 UDP 的区别

	UDP	TCP
有无连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输，不使用流量控制和拥塞控制	可靠交付，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一、一对多、多对一通信	只能是一对一通信
传输方式	数据报文	面向字节流
首部开销	开销小，8 个字节	20 ~ 60 个字节
适用场景	适用于实时应用（视频会议、直播等）	适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输

3、TCP 头部

头部主要字段的意义如下：

1. 源端口和目的端口

   各占 2 个字节，分别写入源端口号和目的端口号。

2. 序号

   占 4 个字节，范围是 [0，2³²-1]。序号使用 mod 2³² 运算，当序号增加到 2³²-1后，下一个序号又会回到 0。

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3. 确认号

   占 4 个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号，通常用 ack 表示。

4. 数据偏移

   占 4 位，通常表示 TCP 报文段的首部长度。

5. 控制位

   1. 紧急 URG（URGent）
   当 URG = 1 时表明该字段有效，发送方 TCP 会把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，通常与首部中的紧急指针字段配合使用。
   2. 确认 ACK（ACKnowledgment）
   当 ACK = 1 时表明该字段有效，TCP 规定在建立连接后所有传送的报文段都必须把 ACK 置为 1。
   3. 复位 RST（ReSeT）
   当 RST = 1 时表明 TCP 连接中出现严重差错（如主机崩溃等）必须释放连接，然后再重新建立传输连接。RST 置为 1 还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。
   4. 同步 SYN（SYNchronization）
   当 SYN = 1 且 ACK = 0 时表明是一个连接请求报文段，对方若同意建立连接则会在响应的报文段中使用 SYN = 1 且 ACK = 1。
   5. 中止 FIN（FINis）
   当 FIN = 1 时表明发送方的数据已发送完毕，并要求释放连接。

6. 窗口

   占 2 个字节，窗口值是[0，2¹⁶-1]之间的整数，作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。

7. 选项

   长度可变，最长可达 40 字节，包括最大报文段长度 (MSS) 选项、窗口扩大选项、时间戳选项、选择确认（SACK）选项等。

4、三次握手——建立连接

【注意点】：

1. TCP 客户进程和服务器进程首先会创建传输控制块（TCB）；

   传输控制块（TCB：Transfer Control Block）：存储了每个连接中的一些重要信息，例如：TCP 连接表、指向发送和接收缓存的指针、指向重传队列的指针、当前发送和接收的序号等等。

2. TCP 规定 SYN 报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号 （seq）；

3. TCP 规定 ACK 报文段可以携带数据，但如果不携带数据则不消耗序号；

4. 客户进程为什么要发送最后一次确认？

   原因：假定 A 发出的第一个连接请求在某些网络节点处滞留，然后 A 重传一次连接请求，收到 B 的确认报文段后建立连接并传输数据。若连接释放后的某个时间第一个连接请求被 B 收到，此时 B 误以为 A 又发出一次新的连接请求，向 A 发出报文段同意建立连接。但是 A 并没有发出建立连接的请求，因此不会理会 B 的确认，也不会向 B 发送数据，但 B 以为有新的连接建立并一直等待 A 发来数据，从而造成资源的浪费。

5、四次挥手——释放连接

【注意点】：

1. TCP 规定 FIN 报文段即使不携带数据也要消耗一个序号；

2. 序号 u、v、w 均为已传送过的数据的最后一个字节的序号加 1；

3. MSL (Maximum Segment Lifetime)：最长报文段寿命，一般设为 2 分钟，TCP 允许根据具体情况使用更小的 MSL 值；

4. A 处于时间等待(TIME-WAIT)状态时为什么必须等待 2MSL 的时间？

   a. 为了保证 B 可以正常进入 CLOSED 状态（即正常关闭 TCP 连接）。

   若处于LAST-ACK（最后确认）状态的 B 没有收到 A 发送的最后一个 ACK 报文段，则会超时重传 FIN + ACK 报文段，在 2MSL 时间内 A 可以收到该报文段并重传 ACK 报文段并重新启动 2MSL 计时器，直至 A 和 B 都正常进入 CLOSED 状态。

   b. 防止出现因网络滞留而失效的连接请求报文段。

   A 发送完最后一个 ACK 报文段后再经过 2MSL 的时间后会清空本次连接所产生的所有报文段，因此不会进行超时重传。

5. 保活计时器 (keepalive timer) 可以防止客户端和服务器建立 TCP 连接后突然故障导致服务器资源浪费的情况的发生。

   服务器每收到一次客户端的数据就重新设置保活计时器，时长一般为 2 小时。若间隔 2 小时后未收到客户端的数据，服务器就会发送一个探测报文段，之后每隔 75 秒发送一次。若连续发送 10 个探测报文段后客户端仍无响应，服务器就会关闭连接。

6、流量控制

目的：控制发送方的发送速率，保证接收方来得及接收。

注：流量控制往往是指点对点通信量的控制，是个端到端的问题。

方法：滑动窗口机制

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、硬件的限制，而发送窗口的大小则取决于对端通信的接收窗口。TCP 头部包含 window 字段，16位，代表窗口的字节容量，最大为 65535，接收方通过发送确认报文头部中的 window 字段来控制发送窗口的大小，若设置为 0 则发送方不能发送数据。

注：TCP 的窗口单位是字节，不是报文段。

7、拥塞控制

目的：防止过多的数据注入网络中，避免路由器或链路过载。

注：拥塞控制是一个全局性的过程。

方法：

1. 慢开始(slow-start)

   发送方维持一个拥塞窗口 cwnd (congestion window) 状态变量，初始设置为 1 个 SMSS 的数值，在每收到一个对新的报文段的确认后，把拥塞窗口增加至多一个 SMSS 的数值。每经过一个传输轮次，拥塞窗口就加倍。为了防止 cwnd 增长过大引起网络拥塞，还要设置一个慢开始门限 ssthresh 状态变量。

   • 当 cwnd < ssthresh 时，使用慢开始算法；
   • 当 cwnd = ssthresh 时，使用慢开始算法或者拥塞避免算法；
   • 当 cwnd > ssthresh 时，停止使用慢开始算法，改用拥塞避免算法；

2. 拥塞避免(congestion avoidance)

   每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的拥塞窗口 cwnd 加 1，按照线性规律缓慢增长，具有 “加法增大”（AI：Additive Increase）的特点。

   无论在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段，只要发送方判断网络出现拥塞（未按时收到确认报文），就要把慢开始门限 ssthresh 设置为发送窗口值的一半（但不能小于 2 ），然后把拥塞窗口重新设置为 1，执行慢开始算法。这样做的目的是迅速减少主机发送到网络中的分组数，使得发生拥塞的路由器有足够时间处理队列中积压的分组。

3. 快重传(fast retransmit)

   要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认，而要立即发送确认，即使收到了失序的报文段。规定发送方只要连续收到 3 个重复确认 M2，就立即进行重传 M3。快重传可以让发送方尽早知道发生了报文段的丢失。

4. 快恢复(fast recovery)

   当发送方连续收到 3 个重复确认后会把慢开始门限 ssthresh 减半，接着把 cwnd 的值设为减半后 ssthresh 的值，然后开始执行拥塞避免算法。快恢复算法具有 “乘法减小”（MD：Multiplicative Decrease）的特点，与拥塞避免算法合称为 AIMD 算法。

   注：在采用快恢复算法时，慢开始算法只是在 TCP 连接建立时和网络出现超时时才使用。