TCP/IP超全笔记 - TCP篇

TCP/IP超全笔记 - TCP篇

什么是 TCP

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

• 面向连接：一对一，先连接，再传输数据
• 可靠交付：保证数据准确
• 面向字节流：把数据看成一连串的无结构字节流

网络模型

七层模型

• 应用层
• 表示层
• 会话层
• 传输层：TCP/UDP
• 网络层: IP
  • 寻址和路由选择
  • 路由器，防火墙，多层交换机
• 数据链路层
  • 关注数据的传输和流控制、差错检测和纠正等逻辑控制功能
  • 数据单元是帧（frame）
  • 网卡、交换机
  • MAC地址
• 物理层
  • 主要是将数字信号转化为模拟信号，并通过物理媒介传输信号
  • 关注传输媒介，信号的传输和电气规范等物理特性
  • 数据单元是比特

五层模型

• 应用层
• 传输层：TCP/UDP
• 网络层: IP
• 数据链路层
• 物理层

四层模型

• 应用层：HTTP、FTP、SMTP
• 传输层：TCP/UDP，数据包 Segment
• 网络层: 负责数据的包装，寻址和路由，IP、RIP、ICMP，数据包 Packet
• 网络接口层：ARP协议，数据包 Frame

TCP 三次握手

• client -> server: SYN = 1, seq = u，告诉服务器，我准备连接了
• server -> client: SYN = 1, ACK = 1, ack = u + 1, seq = v，告诉客户端，我可以被连接
• client -> server: ACK = 1, ack = v + 1, seq = u + 1，告诉服务器，我准备开始传输数据

为啥要三次握手，只要前两次握手不行么？
因为网络是不可靠的，如果只进行两次握手，那么可能会出现如下情况：
client发送第一个连接的请求报文，但由于网络问题，请求没有立即到服务端，而是在网络节点滞留了，直到某个时间才到达server，但是这个时候，可能已经变成了个失效的报文，但是server还是以为client要连接它，所以server会回复一个连接成功的报文，但是client根本不会理睬，所以server白白浪费了一个连接成功的报文。
为了避免这种情况，所以要进行三次握手。

TCP 四次挥手

• client -> server: FIN = 1, seq = u，告诉服务器，我马上要关闭了
• server -> client: ACK = 1, ack = u + 1, seq = v，告诉客户端，我知道你马上要关闭了

但服务端可能还有数据没发送完成，所以这时候要等待server数据发送完成

• server -> client: FIN = 1, seq = w，server数据终于发送完了，告诉客户端，我马上也要关闭了
• client -> server: ACK = 1, ack = w + 1, seq = u + 1，客户端收到server的FIN，知道server要关闭了

client 处于TIME_WAIT状态，等待2MSL后关闭连接，为啥？

1. client最后回的ACK，server可能会没收到，从而导致server再次发送FIN，如果client这时候已经关闭了，那么就会导致server错误
2. 如果client发送最后的ACK之后直接进入关闭状态，然后再次连接Server，如果端口恰好相同的话，且前一次的连接有数据滞留在网络中，这个时候最新一次的连接就会收到上一次连接的脏数据，导致数据包混乱。

TCP 状态流转

TCP 头部格式

• 源端口号：16bit
• 目标端口号：16bit
• 序列号：32bit

一次TCP通信（从连接建立到断开）过程中某个传输方向上的字节流的字节在数据流上的索引

• 确认应答号：32bit
• 首部长度：4bit， tcp头有多少个32bit，故TCP头最多60字节
• 保留：6bit
• URG：1bit
• ACK: 1bit，用于确认应答
• PSH: 1bit
• RST: 1bit
• SYN: 1bit，用于建立连接
• FIN: 1bit，用于释放连接
• 窗口大小：16bit，用于TCP流量控制，接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，以便于发送方控制发送数据的速度
• 校验和：16bit，用于数据校验
• 紧急指针：16bit
• 选项：可变长度
• 数据

连接建立中的异常

• SYN 攻击

攻击者伪造很多IP地址，对目标服务器发送SYN连接请求，服务器回复确认包，并等待攻击者的ACK，由于伪造IP地址，所以攻击者根本不会回ACK，导致服务器端一直处于等待状态，从而导致服务器端资源耗尽，无法为正常用户提供服务。

服务器没收到第三次握手ACK时，会重发（Linux环境下，重发5次，每次间隔1s、2s、4s、8s、16s、32s），重发耗时很长，短时间大量SYN请求会导致资源耗尽。

解决方案：缩短重试时间间隔、

TCP如何实现可靠传输

停止等待方式

• 设定时间内未收到确认则进行重传
• 发送数据完等待ACK，效率低

流水线传输方式

• 采用滑动窗口协议，允许发送端发送多个数据包，而不需要等待对方确认
• 当发送数据包达到窗口上限时停止发送（窗口大小设置多少合适呢？有没有说法？）
• 接收端收到数据包后，返回ACK，发送端滑动窗口右移，继续发送数据
• 接收端发送的ACK，并不一定是当前接收到的包序号，而是返回已连续接收的最大的包序号+1，比如收到1,2,3这时候返回4（表示我已经收到了4之前的报文），如果后续收到了5,7,8，回复的三个ACK都会是4，然后又收到数据包4，则ACK返回6，发送端这时候就知道1-5都接收成功了，滑动窗口直接右移到6开始
• 超时重传机制：发送端滑动窗口内数据包一定时间没收到ACK，则会启动重发机制，直到收到ACK。
• 快速重传机制：如果发送端收到同一报文的三次冗余确认，就会认为这条报文的下一条丢失，不管是否超时都会进行重发

TCP流量控制

接收端处理数据的能力有限，如果发送太快超过了接收端处理能力，就会把接收端缓冲区打满，这时候就会导致丢包，发送端又得重发。因此，需要根据接收端能力来控制发送速度。

• 接收端发送ACK时，返回窗口大小，即剩余缓冲区大小。
• 发送端根据接收端返回的窗口大小来控制发送速度。
• 如果接收端返回窗口大小为0，则发送端停止发送数据，但仍需要定时发送一个窗口探测数据段，不然发送端不知道啥时候接收端可以再接收数据了。

TCP拥塞控制

在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量数据，可能会引起计算机网络的拥塞，导致网络性能下降，严重时甚至会导致网络瘫痪，另外网络情况时刻在变化，网络变得拥堵/空闲，都要及时调整发送速度，一方面避免加剧网络堵塞，一方面最大限度地利用网络资源。因此，TCP需要根据网络拥塞情况来动态调整发送数据量，以避免网络拥塞。

慢启动

• 拥塞窗口先设置为1，后面每次都翻倍，直到出现数据传输超时或者触发了快速重传。
• 如果传输超时，可能网络出现严重堵塞（需要立即减少发送），这时候需要将慢启动阈值设置为拥塞窗口的一半，然后重新开始慢启动过程（拥塞窗口设置为1）,直到拥塞窗口增加到慢启动阈值，然后改为拥塞避免模式。
• 如果触发了快速重传，则将慢启动阈值减半，然后将拥塞窗口设置为原先的一半 + 3，触发快速重传，说明发送端还能收到ACK，说明网络没有那么严重的堵塞，这时候减半发送就够了，没必要降为1，这时候进入快速恢复模式

拥塞避免

拥塞避免阶段是个速率增加缓慢且线性增长的过程

• 每收到一个ACK，拥塞窗口+1
• 如果发生了超时，则将慢启动阈值设置为拥塞窗口的一半，然后重新开始慢启动过程（拥塞窗口设置为1）
• 如果触发了快速重传，则将慢启动阈值减半，然后将拥塞窗口设置为原先的一半 + 3，然后进入快速恢复模式

快速恢复

• 每收到一个冗余的确认报文，则拥塞窗口+1
• 如果出现数据传输超时，则将慢启动阈值设置为拥塞窗口的一半，然后重新开始慢启动过程（拥塞窗口设置为1）
• 如果发送方接收到新的确认报文，则拥塞窗口设置为慢启动阈值，然后进入拥塞避免模式

为啥收到冗余确认报文，拥塞窗口还要+1？按理来说，没有收到新的确认报文，这个时候还是拥堵的，为啥还有增长？原因在于，新收到冗余确认报文后，意味着网络中腾出了一条报文的空间，所以可以再发一条，但是这个时候拥塞窗口已经满了，只有再+1，才能再发一条数据。