计算机网络——传输层(TCP)

传输层

在计算机网络中，传输层是将数据向上向下传输的一个重要的层面，其中传输层中有两个协议，TCP，UDP 这两个协议。

TCP

话不多说，我们直接来看协议报头。

源/目的端口号：表示数据从哪个进程来，到哪个进程去;

序号（Sequence Number）

在数据的传输中，传输报文的数据部分的每一个字节，都有一个他自己的编号。序号（Sequence Number),简称SN。
SN与SYN标志控制位的值有关，SYN值不同，SN表达不同的含义：

当SYN为1时，说明此时为连接建立阶段，这时的SN为初始序号：ISN（Intial Sequence Number），通过随机生成SN。
当SYN为0时，说明现在是数据传输阶段，第一个报文的序号是ISN+1，后面的报文的序号， 当前的报文的SN值+Tcp报文的净荷字节数（不包括Tcp报头） 。eg.如果发送端发送的报文的SN为3，他的净荷字节数为20，那么发送端发送的下一个报文的SN为20 。
在实际的数据传输中，SN的作用是当我们主机收到很多报文时，我们可以利用SN值对当前报文进行一个去重效果。

确认序号（Acknowledge Number）

对当前收到的序号进行一个确认。如果设置了一个ACK控制位，确认序号表示一个准备接受的包的序列号，注意，他的序列号指向的是准备接受的包，也就是下一个期望接受的包的序列号。

举个例子，假设发送端(如Cient)发送3个净荷为1000byte、起始SN序号为1的数据包给Server四服务端，Server每收到一个包之后需要回复一个ACK响应确认数据包给Client。ACK响应数据包的ACKNumber值，为每个Client包的为SN+包净荷，既表示Server已经确认收到的字节数，还表示期望接收到的下一个Cient发送包的SN序号。（三次握手详细图解）。

数据偏移（首部长度）

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

标志控制位

· URG:占一位，表示紧急指针字段有效。在实际中，优先处理紧急字段，此时紧急字段指针才有用，并且指向紧急数据（应用较少，一般用来错误码，eg.在传输中，突然不要某个数据了）。
· ACK:置位ACK=1表示确认号字段有效:TCP协议规定，连接建立后所有发送的报文的ACK必须为1;当ACK=0时，表示该数据段不包含确认信息。当ACK=1时，表示该报文段包括一个对已被成功接收报文段的确认序号Acknowedgment Number，该序号同时也是下一个报文的预期序号。
· PSH:表示当前报文需要请求推(push)操作;当PSH=1时，接收方在收到数据后立即将数据交给上层，而不是直到整个缓冲中区满。（在窗口检测中，发送PSH，将消息进行交互）。
· RST:置位RST=1表示复位TCP连接;用于重置已经混乱的连接，也可用于拒绝一个无效的数据段或者拒绝一个连接请求。如果数据段被RST置了RST位，说明报文发送方有问题发生。
· SYN:在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接清求报文，对方若同意建立连接，则应在响应报文中使SYN=1和ACK=1。综合下，SYN置1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
· FIN:用于在释放TCP连接时，标识发送方比特流结束，用来释放一个连接。当 FIN=1时，表明此报文的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放连接。

窗口大小

通俗来讲，就是表示自己的接收缓冲区的剩余空间大小。用来进行流量控制。

校验和

对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，接收端用于对收到的数据包进行验证。

紧急指针

它是一个偏移量，和SN序号值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。以上内容是TCP报文首部必须的字段，也称固有字段，长度为20个字节。接下来是TCP报文的可选项和填充部分。

可选项和填充部分

可选项和填充部分的长度为4n字节(n是整数)，该部分是根据需要而增加的选项。如果不足4n字节，要加填充位，使得选项长度为32(4字节)的整数倍，具体的做法是在这个字段中加入额外的零，以确保TCP头是32位(4字节)的整数倍。

Tcp三次握手

三次握手是Tcp面向连接的重要过程，和确保了数据传输的可靠性。
(1)第一次握手:CIient进入SYN SENT状态，发送一个SYN帧来主动打开传输通道，该帧的SYN标志位被设置为1，同时会带上Client分配好的SN序列号，该SN是根据时间产生的一个随机值，通常情况下每间隔4ms会加1。除此之外，SYN帧还会带一个MSS(最大报文段长度)可选项的值，表示客户端发送出去的最大数据块的长度。

(2)第二次握手:Server接受SYN帧之后，会进入SYN RCVD，同时返回SYN+ACK帧给Client，主要目的在于通知Client,Server端已经收到SYN消息，现在需要进行确认。Server端发出的SYN+ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN（Acknowledgment Number）值被设置为Client的SN+1,SYN+ACK帧的SYN标志位被设置为1，SN值为Server端生成的SN序号，SYN+ACK帧的MSS(最大报文长度)

(3)第三次握手:Client在收到Server的第二次握手的SYN+ACK确认帧之后，首先将自己的状态会从SYN SENT变成ESTABLISHED，表示自己方向的连接通道已经建立成功，Client可以发送数据给Server端了。然后，Client发AGK帧给Server端，该ACK帧的ACK标志位被设置为1，其确认序号AN(Acknowledqment Number)值被设置为Server端的SN序号+1，还有一种情况，Client可能会将ACK帧和一帧要发送的数据，合并到一起发送给Server端。

(4)Server端在收到Client的ACK帧之后，会从SKN RCVD状态会进入ESTABLISHED状态，至此，Server方向的通道连接建立成功，Server可以发送数据给Client，TCP的全双工连接建立完成。

如下图：

四次挥手

(1)第一次挥手:主动断开方(可以是客户端，也可以是服务器端)，向对方发送一个FIN结束请求报文，此报文的FIN位被设置为1并且正确设置Sequence Number(序列号)和Acknowledgment Number(确认号)。发送完成后，主动断开方进入FIN_WAIT_1状态，这表示主动断开方没有业务数据要发送给对方，准备关闭SOCKET连接了。

(2)第二次挥手:正常情况下，在收到了主动断开方发送的FIN断开请求报文后，被动断开方会发送一个ACK响应报文，报文的Acknowledqment Number(确认号)值为断开请求报文的SN+1，该ACK确认报文的含义是:“我同意你的连接断开请求”。之后，被动断开方就进入了(CLOSE_WAIT)状态，TCP协议服务会通知高层的应用进程，对方向本地方向的连接已经关闭，对方已经没有数据要发送了，若本地还要发送数据给对方，对方依然会接受。被动断开方的==CLOSE_WAIT(关闭等待)==还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。主动断开方在收到了ACK报文后,FIN _WAIT_1转换成FIN_WAIT_2状态。

(3)第三次挥手:在发送完成ACK报文后，被动断开方还可以继续完成业务数据的发送，待剩余数据发送，或者CLOSE-WAIT(关闭等待)截止后，被动断开方会向主动断开方发送一个FIN+ACK结束响应报文，表示被动断开方的数据都发送完了，然后，被动断开方进入LAST_ACK状态。

(4)第四次挥手:主动断开方收在到FIN+ACK断开响应报文还需要进行最后的确认，向被动断开方发送一个ACK确认报文然后，自己就进入TIME_WAIT状态，等待超时后最终关闭连接。处于TIME_WAIT状态的主动断开方，在等待完成2MSL的时间后，如果期间没有收到其他报文，则证明对方已正常关闭，主动断开方的连接最终关闭。

被动断开方在收到主动断开方的最后的ACK报文以后，最终关闭了连接，自己啥也不管了。

小问

为什么建立连接是三次握手？为什么不是一次两次？

因为三次握手，C/S双方都有一次的确定的收发。并且中间两次（SYN和ACK被捎带应答了）。它也能确定通信双方是健康的。

四次挥手可以是三次挥手吗？
可以，当C发送close请求时，刚好S也发送了close请求，这种情况就和三次握手一样，同样被做捎带应答了，但是这种情况就很少。

洪水攻击
SYN洪水攻击（SYN Flood Attack） 是一种常见的 DDoS攻击（分布式拒绝服务攻击），利用 TCP协议的三次握手缺陷 耗尽服务器资源，使其无法正常响应合法用户的请求。防御需结合协议优化（如SYN Cookie）和流量过滤技术。

Tcp特性

滑动窗口

如果我们每次都是一发一接受，他的效率就会低很多，性能就会低一点。
如下图：

如果我们同时发很多数据呢，这样不就解决了效率低下的问题(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了)。

• 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;

如下图：

快重传

在上面的传输过程中，在同时传输多个数据报文时，如果遇到某个数据包丢包了，这种情况下Tcp会怎么做呢？
Tcp首先会让确实的数据包进行一个重传。其余的同时传输的数据包也会收到，但是不会进行一个重发。
如下图：

流量控制

接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送, 就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应.因此TCP 支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控制(Flow Control);

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;表示自己能接受的数量大小。
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。
发送窗口探测包被接受后，发送端会发送一个Ack其中它的一个标志位PSH也将置1，表示我需要尽快收到数据。

拥塞控制

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，少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞。

拥塞控制, 归根结底是TCP 协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。

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;这样也确保了一个可靠性。
拥塞控制的窗口=min（拥塞窗口大小，接收端反馈的窗口大小）。
因为他作为一个高效的传输，需要一个快速的拥塞窗口增长速度。
因为接受的能力有限，因此不能单纯使拥塞窗口变大。就需要一个阈值，来限制一下他的增长速度。让他的增长的速度减缓。
在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来的一半, 同时拥塞窗口置回1;少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞;当TCP 通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降;
如下图

延迟应答

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;
如下图：

捎带应答

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。

我们的三次握手，也是采用的是捎带应答，接收端收到数据后，我们会将一个ACK+SYN一起发送给发送端。

面向字节流

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区中;
• 如果发送的字节数太长, 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, 等到缓冲区长度差不多了, 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;
如下图：

eg.
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;

粘包问题

因为他是一个全双工的，并且面向字节流，就会导致它的一个发送的数据不全或者是发送的数据多了一点。
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。
对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可; 例如上面的Request 结构, 是固定大小的, 那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是我们自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可);
对UDP来说不会存在粘包问题，因为他每次发送的就是一个数据报格式的。UDP发送的数据要么收到，要么不收到。

小结

TCP 复杂，是因为要保证可靠性, 同时又尽可能的提高性能。
可靠性：

校验和
序列号(按序到达)
确认应答
超时重发
连接管理
流量控制
拥塞控制

提高性能：

滑动窗口
快速重传
延迟应答
捎带应答

这就是TCP的主要内容。