Java EE|TCP/IP协议栈之TCP协议工作机制上

前言

前边，我们已经大概交代了TCP的报文结构。但是仍有一些字段我们不确定到底怎么理解，这里就分析TCP的内部工作机制了。

TCP的内部很复杂，有很多机制，这里我们只讨论比较核心的10个机制。

本篇，我们先介绍前3个。

一、确认应答

对于这个机制，我们需要了解以下几点：

1. TCP中，确认应答是实现可靠传输的核心机制。
2. 这里的可靠传输，不是说我们发的报文一定传输过去了，而是说对于报文发送成功与否，发送方都会收到一个信号，告诉我们。
3. 这里的信号就是我们前边提到的六个标志位其一——ack（acknowledge）。它是由接收方发送的。倘若报文带有这条标志，那么我们就可以认为我们发送成功了。此时这个报文也叫做应答报文。
4. 特殊情况：短时间内连续发送消息，可能出现后发先至的情况。原因是两个主机之间存在多条线路，转发效率也会有所不同。
5. 如何规避后发先至：给传输的数据和应答报文都进行编号，即使乱了也知道如何进行排序。这里的功能就是通过我们的32位序号和32位确认序号来实现的。

下边，我们就后发先至的规避做进一步的解释：

• 任何数据都有序号，而确认序号只有应答报文的有效。

• TCP是面向字节流的，所以这里的编号不是按照第一条、第二条……的方式编号的，实际上也是按照字节流进行编号的。

  这里可能会比较抽象，我们图解一下。
  

为了加深印象，我们这里举个小例子

小结：TCP可靠传输能力，最主要的就是通过应答机制保证通过应答报文，就可以让发送方清楚的知道，传输是否成功，进一步通过序号和确认序号对应答报文的顺序进行说明。

二、超时重传

上边的例子里边我们是基于发送成功的前提下进行讨论的，倘若发送失败了呢？TCP采取怎样的策略应对呢？这也就是我们接下来要说的超时重传。

这里我们需要知道一下几个点

1. 发送失败即丢包，有两种情况。一是发的数据包丢了，二是接收方返回的ack丢了。这里发送方看到的效果就是结果丢了，它会一视同仁，认为是丢包了。
2. TCP重传引入了一个时间阈值。发送后就会等待ack，进行计时。具体时间根据业务而定。
3. 重传机制是在丢包后会重新发送n次同样的数据。但是这里的n也不会太大，太大也没有意义。因为连续重传都丢，概率很低（乘法公式）
4. 重传达到一定次数，不会继续重传，会认为是网络出现故障，接下来TCP会尝试断开重连，若重置还失败就彻底断开。
5. **对于重传由特殊处理——去重。**TCP存在“接收缓冲区”和发送缓冲区这样的存储空间。主机B收到主机A的数据，其实是B的网卡读到了数据，把这个数据放到了socket/网卡的接收缓冲区【优先级阻塞队列】中。根据数据的序号，TCP很容易识别当前接收缓冲区里的两条数据是不是重复【根据序号进行排序，若相同就去重】。若重复，则把后来这份data丢弃了，保证app调用read读取的数据一定是不重复的。

小结：由于去重和重新排序发送方只发现ack未按时到达，就会触发重传机制。即使重复发送了也没关系，接收方能处理好，去重和排序都依赖于TCP报头的序号。

确认应答和超时重传机制两者相互配合，共同支撑了可靠传输。

注：不是说只有这两个，而是说这两个是最重要的，是支柱一样的存在。

三、连接管理

这里的连接是connection，不是链接link。注意进行区分。前者是AB建立连接，互相记录对方的信息（例如端口号），后者是快捷方式。

注意：这里虽然网络层的ip协议是在传输层下边，但ip的获得跟位置无关，因为它相当于是经过了一个u型的过程。

这里的管理描述了连接如何创建，如何断开。也就是我们经常说的三次握手四次挥手。这也是我们这里要讨论的超级重重点内容！！！

三次握手

所以实际的例子效果应该是这样滴

• 这里我们有一个问题，不合并可以不？

  答：不可以，因为封装分用（一条报文从发送到接收）有开销，合并后成本降低，OS也不是冤大头。

• 那么问题又来了,怎么确定合并了呢？

  答：合并后接收方收到的效果是一条，只不过有两个作用。具体细节略过。

• 可以只两次握手吗？

  答：不可以，这个确认是双方的，双方的发送能力、接受能力都需要被确认！！

相信通过这个例子，我们已经能理解个七七八八了，下边我们就看看教科书上的真正的三次握手的过程。

对于这里的状态，我们不做过多讨论，只记住几个常见的即可。其中established（已连接的）、listen（服务器状态）表明服务器已准备就绪，随时可与客户端建立连接。

三次握手的意义：

1. 让通信双方各自建立对对方的认同
2. 验证通信双方各自发送和接受能力是否正常
3. 通信双方协商一些重要参数

小结

所谓的三次握手本质上是四次交互，通信双方各自向对方发起一个建立连接的请求，同时再向对方发一个ack。

三次握手的流程（一般是进行图解）

三次握手的意义

四次挥手

三次握手就是建立连接，与之对应的，四次握手就是断开连接。

下边我们基于这个图，具体来讨论四次挥手的过程及作用。

对于服务器：

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。

对于客户端：

已连接到FIN＿WAIT1状态：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 ：站在客户端角度，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_1 -> 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 。避免中间出现意外。

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这里的ＴＩＭＥ＿ＷＡＩＴ是额外工作的保障，一定程度上解决了丢包这样的情况。

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【中间流程，状态只是中间流程的结果】

试想，这个和三次握手的四次交互不是挺像的吗？这里不可以中间合并吗？如果不能合并，为什么？

不能。原因是ACK的发送是由内核控制的，FIN的发送是由应用调用socket的close方法，进程退出才会触发FIN。

两者的发送很大概率不是同一时机。所以绝大多数情况下是不会同时发送。所以我们将其认为是不可合并的。

这里的TIME_WAIT约定的时间是2MSL，具体是多长？不会太短了吗？

TIME＿WAIT这个数值的含义是互联网上两个节点之间数据传输消耗的最大时间。

而这里的2MSL并不是不变的，MSL是可以自己设定的，但是实际开发过程中我们一般把它设置成一个经验值——60秒，那么对于这里的2MSL就是120秒。

小结：

TCP作为一个有连接的协议，需要建立连接和断开连接，其中建立连接时三次握手，断开连接时四次挥手。

三次握手的意义：双方建立认同感；确认双方发送接收能力没有问题；协商通信过程的一些关键参数。

四次挥手不可以合并成三次挥手的原因。

TIME＿ＷAIT意义和作用。