深入理解TCP网络协议(3)

目录

1.前言

2.流量控制

2.阻塞控制

3.延时应答

4.捎带应答

5.面向字节流

6.缓冲区

7.粘包问题

8.TCP异常情况

9.小结

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1.前言

   在前面的博客中,我们重点介绍了TCP协议的一些属性,有连接属性的三次握手和四次挥手,还有保证数据安全的重传机制和确认应答,还有为了提高效率所用的滑动窗口等.然而TCP协议的特性远不止这些,在这篇博客中,我们将更深入的了解决TCP协议的其它特性.

2.流量控制

  滑动窗口我们知道是用来提升传输效率的,这个窗口如果越大的话,那么自然传输效率也就越高,那么这个窗口可以无限增大吗?答案是否定的,首先从接收方的角度来看,接收方是有接收缓冲区的,如果这个窗口过大,发的数据过多,极有可能把这个缓冲区占满,那么就会引起一系列的问题.站在发送方的角度来看,也不能一次发送太多数据,因为我们不知道路上的网络线路是否通畅,能不能一次承担这么多的数据而不损失稳定性(这个我们一会在介绍).

   首先我们站在接收方的角度,其实接收方返回给发送方的ACK报头里面,是有一个窗口大小属性的,这个属性的大小取决于接收缓冲区剩余的内存大小.我们来画图说明一下.

有了接收方这个窗口大小这个字段,发送方就知道自己一次性发送多大的数据合适,就可以进行不影响可靠性的前提下提升效率了.

2.阻塞控制

在前面我们提到过,不仅仅是接收方要进行流量控制,告诉发送方要发多大的.在发送方这里,由于物理线路的影响,我们也得知道我们发送多大的合适,那么在TCP协议里,是如何知道网络的情况,以决定我们发送多大的数据合适呢?

这就要讲到我们的阻塞控制了.  我先来说一下基本的原理,我们可以先呈指数倍的发送数据,看有没有ack响应,如果都没问题的话,到了一定的阈值,我们可以在逐渐增大,一直到有数据丢失了(即没有收到ack,说明网络线路出问题了,可能到了它能承受的最大值,我们就接着降下去,在逐渐增大. 这是一个动态平衡的过程.这种思绪想是一种实验的方式来测试.

 当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；
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；
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

还有一个问题就是,我们到底是根据发送方的阻塞控制来确定窗口大小,还是根据接收方的流量控制来决定呢?

事实是,哪个小我们就遵守哪个.有点类似于木桶效应

3.延时应答

 如果接受数据的时候立即响应ack,这时候返回的窗口可能就比较小,为了解决这种问题.TCP协议内部还有一个延时应答的机制.

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
事实上,这个时间的延时在用户眼里是非常小的,所以我们完全可以为了提升传输效率(返回的窗口大一些)使用延时应答机制.我们的目的是确保网络不拥堵的情况下,尽量提高传输效率.

那么所有的包都可以延迟应答么？肯定也不是；
数量限制：每隔N个包就应答一次；
时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；
具体的数量和超时时间，依操作系统不同也有差异；一般N取2，超时时间取200ms

4.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 "are  you ok?"，服务器也会给客户端回一个 "very ok"；
那么这个时候ACK就可以搭顺风车，和服务器回应的 "very ok" 一起回给客户端
 

5.面向字节流

TCP协议发送和接收的数据都是面向字节流的,我们可以给它传入一个byte数组,把我们想要的数据给转化成二进制的形势发送过去.接收的时候在转成对应的格式即可.

6.缓冲区

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；
另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区，那么对于这一个连接，既
可以读数据，也可以写数据。这个概念叫做 全双工
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

7.粘包问题

TCP协议没有像UDP 一样有一个报文长度这样的字段,但是有一个序号这个字段.在传输层的角度,TCP报文是一个一个传输过来的,排列好的数据在缓冲区中,但是在应用层的角度,只是看到了一连串的字节数据,那么应用层看到的这些数据,就不知道应该从哪一部分到哪一步部分是一块的, 是不是一个完整的应用层数据报.

如何解决这个问题呢?我们三种方案

1.对于定包的长,我们每次都读取固定大小的的数据即可,

2.对于边长的包,我们可以在包头设置一个总包长度的字段,从而就知道了包结束的位置.

3.我们也可以在包和包中间使用明确的分隔符(应用层协议是程序员自己约定的,只要不影响数据,即正文的数据不和这个分隔符冲突久可.

粘包问题只是在TCP协议中会出现,并不会在UDP中出现,这是因为UDP是把英国摇滚乐数据交给应用层,要么收到完整的数据报,要么不收,不会出现半个的问题.所以不会有粘包问题.

8.TCP异常情况

我们知道TCP是有连接的,那么在出现异常的时候,TCP是如何断开连接的呢?我们分别来说明

进程中止:进程中止会释放文件描述符,仍然可以发送断开连接的FIN,和正常关闭没啥区别.

机器重启:重启的时候也会释放文件描述符,所以和进程中止的情况一样.

机器断网/断电:

1.如果断电的是接受方,发送方会发现没有ack了,会重传,重传几次还是不行, 就会进行复位操作,(相对于清楚原来的TCP中的临时数据重新开始)会用到RST这个复位报文段(和ack,fin,syn这些一样的报文段,另外,PSH是催促对方快点给我发消息,URG是TCP外带数据,语言写特殊的数据报会携带一些特殊功能的数据)  此时是RST也不会有ack,这个时候发送方就会单方面放弃连接.

2.如果是发送方接收了,发送方迟迟等不到数据,他会发送一个"心跳包",来询问对方的情况,如果这个"心跳包"一直没有得到回应,自然也会单方面释放连接了,这个心跳包是一个周期性的,如果没有心跳就会认为对端挂了,在以后的分布式系统中,服务器之间的互相调用也需要心跳包来确定存货状态.

9.小结

其实TCP协议非常复杂,它不仅仅是有我们前面几篇博客和这篇博客中强调的特性,还有其它的特性,希望各位大佬程序员这条路的修炼中,刻苦钻研,努力发掘.让自己的技术和对底层的 理解更上一层楼.