TCP

本文總結(jié)了傳輸層的傳輸特點(diǎn)與部分基礎(chǔ)問題解答

特點(diǎn)

• 全雙工
• 面向連接
• 可靠數(shù)據(jù)傳輸
• 擁塞控制

Question

面向連接？

TCP不像HTTP（無連接協(xié)議）是面向連接的(connection-oriented)，這也便意味著TCP的有著一個(gè)連接建立的過程，兩個(gè)進(jìn)程通信前必須先進(jìn)行三次握手的過程，簡略來說就是他們必須互相發(fā)送某些預(yù)備報(bào)文段，以建立確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮?shù)，在連接結(jié)束時(shí)，還要經(jīng)歷四次揮手的過程來確保連接的結(jié)束，以此來釋放本次連接的資源。

• tcp連接不是一條像在電路交換網(wǎng)絡(luò)種的端到端TDM或FDM的電路，相反，該“連接”是一條邏輯上的連接。

三次握手

第一次握手：起初兩端都處于CLOSED關(guān)閉狀態(tài)，Client將標(biāo)志位SYN置為1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=client_isn，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Client進(jìn)入SYN-SENT狀態(tài)，等待Server確認(rèn)；

第二次握手：Server收到數(shù)據(jù)包后由標(biāo)志位SYN=1得知Client請求建立連接，Server將標(biāo)志位SYN和ACK都置為1，ack=client_isn+1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)值seq=server_isn，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Client以確認(rèn)連接請求，Server進(jìn)入SYN-RCVD狀態(tài)，此時(shí)操作系統(tǒng)為該TCP連接分配TCP緩存和變量；

第三次握手：Client收到確認(rèn)后，檢查ack是否為client_isn+1，ACK是否為1，如果正確則將標(biāo)志位ACK置為1，ack=server_isn+1，并且此時(shí)操作系統(tǒng)為該TCP連接分配TCP緩存和變量，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Server檢查ack是否為server_isn+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，Client和Server進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后Client和Server就可以開始傳輸數(shù)據(jù)。

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• 為什么是三次握手不是兩次握手?

這個(gè)問題的本質(zhì)是, 信道不可靠, 但是通信雙發(fā)需要就某個(gè)問題達(dá)成一致. 而要解決這個(gè)問題, 無論你在消息中包含什么信息, 三次通信是理論上的最小值. 所以三次握手不是TCP本身的要求, 而是為了滿足"在不可靠信道上可靠地傳輸信息"這一需求所導(dǎo)致的。

具體解釋就是:
如果只有兩次握手，缺失了第三次應(yīng)答，那么服務(wù)器將無從得知客戶端是否接收到自己的同步信號,如果第二次連接丟失,S端則無從知曉。

換一種角度來看，幾次連接的功能有：

1. C 通知建立連接（SYN=1），告知序列號（seq）
2. S 通知建立連接（SYN=1），告知序列號（seq），應(yīng)答+并回復(fù)我收到了第一次連接（ack,即下一次通訊期望的資源號）
3. 關(guān)閉SYN建立連接，告知序列號（seq），應(yīng)答+并回復(fù)我收到了第二次連接（ack,即下一次通訊期望的資源號）

第三次連接表達(dá)的信息有三點(diǎn)，如果去除則會(huì)導(dǎo)致本次通訊不可靠了。

四次揮手

第一次揮手：客戶端發(fā)送FIN（FIN=1）報(bào)文，表示連接終止
第二次揮手：服務(wù)器響應(yīng)，發(fā)送ACK，表示請求以接受

但此時(shí)，服務(wù)器可能仍有發(fā)送任務(wù)在進(jìn)行，一段時(shí)間后才會(huì)執(zhí)行第三次揮手。

第三次揮手：服務(wù)端發(fā)送FIN（FIN=1）報(bào)文，表示連接終止
第四次揮手：客戶端響應(yīng)，發(fā)送ACK，表示請求以接受

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如何可靠？

TCP（傳輸層）下層（網(wǎng)絡(luò)層）是不可靠的，那么如何在不可靠的基礎(chǔ)上建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)？
TCP有一套差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，

發(fā)送方的發(fā)送窗口為1，接收方的接受窗口為N，

發(fā)送方具有一個(gè)定時(shí)器，記錄當(dāng)前發(fā)送出去的數(shù)據(jù)n是否有被接收方正確的接收到（通過ACK）

假設(shè)發(fā)送方現(xiàn)在從0、1、2、3的順序開始發(fā)起數(shù)據(jù)段，

第一種情況:

接收方等待0號數(shù)據(jù)，并收到了0號數(shù)據(jù)，則回饋ACK1，

表示我已經(jīng)接受到了0號數(shù)據(jù)，現(xiàn)在我想要1號數(shù)據(jù)。

發(fā)送方就會(huì)重啟定時(shí)器等待下一個(gè)ACK的到來

如果定時(shí)器0超時(shí)（ack1未成功回饋或者0號數(shù)據(jù)發(fā)送失?。﹦t會(huì)重傳0號數(shù)據(jù)

定時(shí)器超時(shí)，重傳的情況：

定時(shí)器超時(shí)，重傳的情況

第二種情況：

接收方等待0號數(shù)據(jù)，但收到了1號數(shù)據(jù)，則會(huì)回饋ACK0，

表示我雖然收到了1數(shù)據(jù)，但我現(xiàn)在在等待0號數(shù)據(jù)，請您發(fā)0號數(shù)據(jù)給我

如果后續(xù)接收方收到了0號數(shù)據(jù)，則接收方會(huì)直接回饋ACK2，發(fā)送方就會(huì)重啟定時(shí)器等待下一個(gè)ACK（ACK3）的到來

直接回饋：

直接回饋的情況.png

一種特殊的情況，如果接收方收到了1、2、3，發(fā)送了3個(gè)ACK1，此時(shí)發(fā)送方收到3個(gè)冗余ACK1后會(huì)直接認(rèn)為0號數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失了，此時(shí)則會(huì)發(fā)生快速重傳

快速重傳：

快速重傳.png

擁塞控制

在某段時(shí)間，若對網(wǎng)絡(luò)中某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)性能就要變壞，這種情況就叫做網(wǎng)絡(luò)擁塞。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)位鏈路容量（即帶寬）、交換結(jié)點(diǎn)中的緩存和處理機(jī)等，都是網(wǎng)絡(luò)的資源。

若出現(xiàn)擁塞而不進(jìn)行控制，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負(fù)荷的增大而下降。

發(fā)送方維護(hù)一個(gè)cwnd，擁塞控制窗口，該窗口的大小直接影響發(fā)送速率，控制速率的算法分為慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速恢復(fù)過程

慢啟動(dòng)：cwnd每過一個(gè)RTT翻倍遞增，
擁塞避免：cwnd每過一個(gè)RTT逐漸遞增1
快速回復(fù)：ssthrest=cwnd/2，cwnd=ssthrest，此時(shí)會(huì)直接像擁塞避免那樣逐漸遞增1。

• 慢啟動(dòng) - > 擁塞避免狀態(tài) 是如何轉(zhuǎn)折的？
  首先，如果第一次碰到丟包事件，cwnd=1并重新開始慢啟動(dòng)過程，它還會(huì)更新ssthrest=cwnd/2，
  在之后的過程中，如果檢測到當(dāng)前cwnd>=ssthrest，則慢啟動(dòng)就會(huì)變?yōu)閾砣苊鉅顟B(tài)。
  如果再遇到丟包事件，會(huì)首先判斷是ACK III觸發(fā)還是TIMEOUT觸發(fā)
  如果是ACKIII 會(huì)進(jìn)入快速恢復(fù)階段
  如果是TIMEOUT，則和之前邏輯相同

擁塞控制算法.png