【Javaee】网络原理—TCP协议的核心机制

前言

TCP/IP五层协议是互联网中的主流模型，为网络通信提供了一个稳固的框架。

主要包含了应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。

本篇主要介绍传输层的TCP协议的核心机制

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一.  确认应答（ack）

TCP最核心的机制为可靠传输，但可靠传输并不是保证100%的成功，而是尽可能的使数据能到达对方，可靠性的保证有两个重要机制

1.能感知到对方是否接收到数据

2.如果发现对方没有收到，就要进行重发

其中，通过确认应答机制来感知对方是否收到。

所谓的“感知对方是否收到”，是靠对方的通知。

应答报文（acknowledge），缩写为ack

网络传输中存在着后发先至的情况，当发送多个消息时，上诉机制可能可能产生问题，例如

甲向乙提出两问题，乙回答时可能发送后发先至的情况，变成了乙不同意一起吃饭，却同意做女朋友，此时，就产生了歧义。

此时，可以给传输的数据添加编号，通过编号，可以区分出数据的先后顺序。

 TCP是面向字节流的，实际上的编号是按照字节来编号的。

按照字节编号这样的机制，就是TCP的序号

在应答报文中，针对之前收到的数据进行对应编号，称为TCP的确认序号

其中，确认序号是接收方收到的数据最后一个字节序号的下一个序号（如上图，数据最后一个字节序号是1000，ack则返回1000+1，也就是1001作为确认序号）

确认序号前的数据，全部都已经被接收方接收

如果数据在发送过程中发生后发先至，后面的数据比前面的数据先一步到达，此时接收方read就会进入阻塞等待，直到读取到开头发送的数据，确报发送方write的顺序和接收方read的顺序相同时，才会解除阻塞。

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二.超时重传

网络传输中并不是一帆风顺，常常会发生丢包情况

产生丢包的原因有多种

1.数据传输过程中，发生了bit翻转，收到这个数据的接收方计算校验和对不上，此时会直接丢弃该数据包。

2.数据传输到某一节点，节点负载太高了（网络高峰期），后续传输过来的数据可能直接被节点丢弃掉

TCP需要通过应答报文来区分数据是否丢包，收到应答报文(ack)，就说明数据没有丢包，没收到应答报文，就说明数据丢包了。

丢包是难以预测的，TCP再强大也难以完全避免丢包，能做的只有在感应到数据丢包时重新发一次

但数据在网络传输是需要消耗时间的，“没收到应答报文”可能只是暂时没收到，等一会可能就收到了，也有可能是确实丢失，永远收不到了。

超时重传机制通过设定一个“时间限制”，如果在这个时间限制内，没有收到ack，则视为数据丢包，随后重传文件

如果数据成功发送，但ack丢包，由于发送方无法识别对方有没有收到数据，到达限制时间后也会进行重新发送，此时接收方又收到了一份相同的数据，TCP会进行去重，确保不会read到同样的数据。

超时重传的时间不是固定不变的，而是动态变化的。

发送方第一次重传，超时时间是t1，如果仍然没有ack，则会进行第二次重传，超时时间为t2

通常情况下t2>t1,每重传一次，超时时间的间隔就会变大，反复重传多次后，都没有顺利到达，TCP不会尝试重传，会先进行复位连接，发送一个一个特殊的数据包（复位报文），如果网络这会恢复了，复位报文会重置连接，使通信可以继续运行，如果网络存在严重问题，复位报文也没得到回应，此时TCP就会单方面放弃连接，连接也就无了。

确认应答和超时重传相互补充，共同构建了TCP的可靠传输机制

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三.连接管理★★★（重点）

1.建立连接（三次握手）

三次握手是客户端与服务器建立连接的过程，前面提到过，连接的实质是双方保存着对方的信息

如上图所示，A请求保存B的信息，B接收到后返回ACK，然好B请求保存A的信息，A收到后返回ACK，其中，syn和ack可以同时发送，于是将这两步合并成一步，这就是三次握手。

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三次握手要解决说什么问题？意义所在？

1.投石问路，初步验证通信链路是否畅通（可靠传输的前提条件）

2.确认通信双方各自的发送能力与接收能力是否都正常

3.让通信双方在通信前，对通信过程中需要用到的一些关键参数进行协商（TCP通信时的起始数据序号，就是通过三次握手协商确定的）

上诉约定的意义，在于避免“前朝的剑斩今朝的官”

假如A和B在传输数据时，数据包传输的慢，突然A和B断开了连接，过了一会A和B又重新建立了连接，虽然还是A和B两个主机连接，但可能是不同的应用程序，此时上一个没到达的数据包可能这时才到达，A和B已经是新的连接了。

针对这样“迟到”的数据包，应当直接丢弃掉。

那么，如何区分数据包是否是前朝的？

可以给每个连接都协商不同的起始序号，如果发现收到的数据和起始序号以及和最近收到的序号差距很大，则为“迟到”的数据包

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2.断开连接（四次挥手）

断开连接就是通信双方各种把对端的信息删除掉（优雅的）

前面介绍“超时重传”时提到单方面释放连接，则是没那么优雅的进行断开连接（会造成资源浪费）

通信双方各种给对方发送“FIN”，各自给对方返回“ACK”

三次握手的三次，是因为中间的syn与ack进行了合并

对于四次挥手来说，中间ACK和FIN不一定能够合并。

原因是四次挥手ACK是内核控制的，但FIN的触发则是通过应用程序调用close

这中间存在着时间间隔

3.TCP的状态

1）LISTEN状态

服务器进入的状态，表示已经绑定好端口，服务器初始化完毕，准备连接客户端

2）ESTABLISHED

客户端和服务器都保存好了对方的信息，可以传输后续数据业务（三次握手后）

3）CLOSE_WAIT

被动断开连接的一方进入的状态，等待代码执行close方法

如果发现服务器端存在大量CLOSE_WAIT状态的TCP连接，说明服务器代码可能存在问题，应检查代码是否有close操作

4）TIME_WAIT

主动断开连接的一方进入的状态，此处的TIME_WAIT按照时间等待，达到一定时间后连接也就释放了。

为何不直接释放连接？而是要等待一段时间？？

TCP在传输的过程中，任何一个数据都有可能丢包

此处的等待，就是以防最后一个ACK丢包，如果最后一个ACK丢包，则会重传FIN

 能够重发一次ACK的前提是A这边的连接不能释放（如果释放就无法返回数据）

保留一段时间没有收到重传的FIN，则说明刚才的ACK应该是收到了，就可以释放连接

TIME_WAIT持续时间通常为2MSL

四.滑动窗口

1.概述

提起滑动窗口，学过算法的同学应该知道，算法思想中也有滑动窗口，其实，算法中的“滑动窗口”正是借鉴自TCP的滑动窗口

为什么TCP要滑动窗口？？？
TCP希望能在可靠传输的基础上，也能有不错的效率，为此引入滑动窗口。

此处的提高效率，只是“亡羊补牢”，使传输的效率损失尽可能降低（效率低于UDP）

按照以上方式（无滑动窗口），A每次发送一个数据给B，都得等待B的ack才能发下一个，这种方式的低效的。

改进方案则是把“发一个等一个”改成“发送一批等待一批”，把多次等待ack的时间合并成一次，这样等待的时间少了，效率也就提高了。

批量发送的数据越多，效率越高，此时把批量发送数据且不需要等待的数据的量称为窗口大小。

以下图为例，主机A批量发送数据包后，当收到第一个ack后，就会立即发送下一条数据，窗口向右移动

2.丢包问题

情况一

数据包抵达，ACK丢包（如图）

此时不需要做任何处理，批量发数据，ACK丢失也只是丢失其中的一部分，不可能全丢了

通过确认序号，可以判定前面的数据都收到了，接下来要发送的数据就从确认序号这里往后发

情况二

发送方数据丢包

如图，确认序号会在收到后面的数据包时反复返回丢失段数据包的序号，提醒发送方进行重发，发送方识别出哪个数据包丢失后，针对这个数据包进行重传，其他顺利到达的数据包无需重传，这就是“快速重传”

快速重传可以视为滑动窗口下搭配的超时重传。

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五.流量控制

滑动窗口窗口的大小对于传输数据的性能是直接相关的

窗口的大小不能无限的大，通信是双方的事情，发送方发送的快了，也得确保接收方能够处理的来。

发送方与接收方之间，有着一个接收缓冲区，用于存放发送方发送的数据（本质为阻塞队列）

如果发送速度特别快，接收方处理接收速度比较慢，就会使接收缓冲区充满，此时发送方强行发送数据则会丢包，这就需要让接收方的处理能力反向制约发送方的发送速度。

可以通过“定量”的方式，来实现制约

如果空闲空间越大，则可以认为应用程序处理速度比较快，就可以让发送方发送的快一些，设置一个更大的窗口大小。

如果空闲空间小，则可以认为应用程序处理速度比较慢，就可以让发送方发送的慢一些，设置一个更小的窗口大小shu

TCP接收方接收到数据的时候，就会把接收缓冲区剩余空间大小通过ACK数据包反馈给对方，例如

 流量控制，并不是TCP独有的机制，其他的协议可能也会涉及流量控制

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六.拥塞控制

拥塞控制与流量控制是有关联的，也是“踩刹车”

虽然TCP有了滑动窗⼝这个⼤杀器,能够⾼效可靠的发送⼤量的数据.但是如果在刚开始阶段就发送⼤量的数据,仍然可能引发问题。

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。

如下图，有一个节点本身负载已经很高，如果A依旧快速发送数据包，这个节点可能就直接丢包了

但由于中间节点数量多，每次传输数据走的路径还不一样，哪一个节点负载高难以精确的发现

那么要怎么衡量节点的负载来控制发送速度？

拥塞控制中，把中间传输的节点，视为一个整体，不关注具体的实现细节。

通过做实验的方式，找到一个合适的发送速度（面多加水，水多加面）

例如：1.先按照一个比较小的速度发送数据，数据非常畅通，没有丢包，说明网络传输数据整体比较畅通，就可以加快发送速度

2.增大到一定的速度后，发现丢包了，说明网络上可能存在拥塞，就减慢发送速度

3.减速到一定速度后，发现不丢包了，则又开始增加数据发送速度

........

如此反复

拥塞控制的窗口是动态变化的，需根据实际情况来调整

拥塞控制和流量控制都是踩刹车，这两个机制会同时起作用，最终实际发送发送窗口的大小，取决于上述两个机制得到的方式窗口的较小值。

流量控制与拥塞控制都是对TCP可靠传输的补充
 

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七.延时应答

延时应答的目的是为了提高效率，尽可能降低可靠传输带来的性能影响。

发送方发送数据时，接收接收后不着急马上返回ack，而是数据发送一定数量（或可以按照一定时间）后，再返回ack。

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八.捎带应答

捎带应答是再延时应答的基础上，提高效率的机制

把返回的业务数据和ack合二为一（减少包的数量，提高效率）。

正常情况下，发送方和接收方数据发送为“一问一答”，ack和发送数据业务之间存在着时间间隔，无法合并。

但是ack有着延时应答，可以将ack发送的时间往后拖，这一拖，可能赶上发送数据业务的时间，于是发送数据业务时，可以把ack也一起带上。

四次挥手中，FIN和ACK无法合并也是因为两个数据包之间存在着时间间隔。

但如果此时触发延时应答，ACK等待FIN发送时捎带发送，那么四次挥手也能够变成三次挥手

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九.面向字节流

TCP协议传输时是通过字节流传输的，前文已经介绍过，这里主要介绍面向字节流所产生的粘包问题。

什么是粘包问题？？

以图为例，当A向主机发送数据时，数据到达接收缓冲区

当应用程序读取接收缓冲区时，有各种读法（如aa，abb，bccc等），但“aaa”，“bbb”，“ccc”才是正确的读法，如不为这样的读法，应用程序读取的数据包与原数据包有所偏差，会产生不同的结果。

粘包问题就是应用层数据包在TCP缓冲区中连城一片，粘在一起。

应如何解决粘包问题？

方案一：

关键在于明确每个数据包的边界，可通过分隔符来区分包和包的边界。 

方案二：
约定每个应用层数据包的长度，利用数据包开头的两个/四个字节来定义长度

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十.异常处理

在遇到一些异常情况时，TCP协议有着解决问题的方案

1）进程崩溃

在Java中表现为抛出异常，但没人catch，最终异常到了JVM里，进程直接崩溃

在这过程中，操作系统会进行善后，会关闭文件描述表里对应的文件，socket文件也会触发正常的关闭流程（四次挥手）

2）主机关机（正常流程）

操作系统会关闭掉所有的进程，关闭的过程中同样会进行四次挥手。

此时有两种情况

a）当四次挥手快时，四次挥手结束后主机关机

b）当四次挥手慢时，可能每来得及挥完就关机了（如图）

此时，B应没收到ACK，就会触发超时重传，可能会重传很多次，但达到上限后只能单方面主动放弃连接

3）主机掉电（拔电源）

分为两种情况

a）发送方掉电

此时B会发送探测报文，若A有ACK，说明A没有掉。

如果多次发送探测报文，没有回复，则认为A掉了

探测报文是周期性发送的，同时这个报文也是探测对方“生死”的，也被称为“心跳包”

b）接收方掉电

此时，B就不会发送ACK给A了，A会触发超时重传，重传的数据也没有响应，多次后会重置连接，重置连接没有响应后，A会单方面断开连接

4）网线断开

和主机掉电非常相似

站在A的视角，ACK收不到，超时重传，重置连接，最后单方面放弃连接

站在B的视角，探测报文没有回复，最后单方面放弃连接

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TCP不只有10个机制，本篇只是提到较为核心的机制

以上便是全部内容，如有不对，欢迎指正