TCP协议

news2024/9/23 11:28:01

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）

TCP-数据格式

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数据偏移

  • 占4位，取值范围是0x0101~0x1111
  • 乘以4就是首部长度（Header Length）

保留

  • 占6位，目前全为0

有些资料中，TCP首部的保留（Reserved）字段占3位，标志（Flags）字段占9位

  • wireshark中也是如此

UDP的首部中有个16位的字段记录了整个UDP报文段的长度（首部+数据）

但是，TCP的首部中仅仅有4位的字段记录了TCP报文段的首部长度，并没有字段记录TCP报文段的数据长度

  • 分析

    • UDP首部中占16位的长度字段是冗余的，存粹是为了保证首部是32bit对其

    • TCP\UDP的数据长度，完全可以由IP数据包的首部推测出来

      传输层的数据长度=网络层的总长度-网络层的首部长度-传输层的首部长度

TCP—检验和（Checksum）

  • 跟UDP一样，TCP检验和的计算内容：伪首部+首部+数据
    • 伪首部：占用12字节，仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

TCP—标志位（Flags）

  • URG（Urgent）
    • 当URG=1时，紧急指针字段才有效。表名当前报文段中有紧急数据，应当优先传送。
  • ACK（Acknowledgement）
    • 当ACK=1时，确认号字段才有效
  • PSH（Push）
  • RST（Reset）
    • 当RST=1时，表名连接中出现严重差错，必须释放连接，然后重新建立连接。
  • SYN（Synchronization）
    • 当SYN=1、ACK=0时，表明这是一个建立连接的请求
    • 若对方同意建立连接，则回复SYN=1，ACK=1
  • FIN（Finish）
    • 当FIN=1，表名数据已经发送完毕，要求释放连接

TCP—序号、确认号、窗口

  • 序号（Sequence Number）
    • 占4字节
    • 首先，传输的每一个字节都会有一个编号
    • 在建立连接后，序号代表：这一次传给对方的TCP数据部分的第一个字节的编号
  • 确认号（Acknowledgement Number）
    • 占4字节
    • 在建立连接后，确认号代表：期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第一个字节的编号
  • 窗口（Window）
    • 占2字节
    • 这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（字节为单位）

TCP的几个要点

  • 可靠传输

  • 流量控制

  • 拥塞控制

  • 连接管理

    • 建立连接
    • 释放连接

TCP可靠传输

TCP可靠传输—停止等待ARQ协议

  • ARQ（Automatic Repeat-reQuest），自动重传请求
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TCP可靠传输— 连续ARQ协议+滑动窗口协议

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TCP可靠传输— SACK（选择性确认）

  • 在TCP通信过程中，如果发送序列中间某个数据包丢失（比如1，2，3，4，5中的3丢失了）

  • TCP会通过重传最后确认的分组后续的分组（最后确认的是2，重传3，4，5）

  • 这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送（比如4，5），降低了TCP性能

  • 为改善上述情况，发展出了SACK（Selective Acknowledgment，选择性确认）技术

    • 告诉发送方哪些数据丢失，哪些数据已经提前收到
    • 使TCP只重新发送丢失的包（比如3），不用发送后续所有的分组（比如4，5）

  • SACK信息会放在TCP首部的选项部分

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    • Kind：占1字节。值为5代表这是SACK选项
    • Length：占1字节。表名SACK选项一共占用多少字节
    • Left Edge：占4字节，左边界
    • Right Edge：占4字节，右边界

  • 一对边界信息需要占用8字节，由于TCP首部的选项部分最多40字节，所以

    • SACK选项最多携带4组边界信息
    • SACK选项的最大占用字节数=4*8+2=34

若有个包重传了N次还是失败，会一直持续重传到成功为止吗？

  • 这个取决于系统的设置，比如有些系统，重传5次还是未成功就会发送reset报文（RST）断开TCP连接

为什么选择在传输层就将数据大卸八块，分成多个段，而不是等到网络层再分片传递给数据链路层

  • 因为可以提高重传的性能

  • 需要明确的是：可靠传输实在传输层进行控制的

    • 如果再传输层不分段，一旦出现数据丢失，整个传输层的数据都得重传

    • 如果在传输层分了段，一旦出现数据丢失，只需要重传丢失的哪些段即可

TCP—流量控制

  • 如果接受方的缓存区满了，发送方还在疯狂地发送数据

    • 接收方只能把收到的数据包丢掉，大量的丢包会极大地浪费网络资源
    • 所以要进行流量控制

  • 什么是流量控制？

    • 让发送方的发送速率不要太快，让接收方来得及接收处理。

  • 原理：

    • 通过确认报文中窗口字段来控制发送方的发送速率
    • 发送方的发送窗口大小不能超过接收方给出的窗口大小
    • 当发送方收到接收窗口的大小为0时，发送方就会停止发送数据

TCP—流量控制—特殊情况

  • 有一种特殊情况

    • 一开始，接收方给发送方发送了0窗口的报文段
    • 后面，接收方又有了一些存储空间，给发送方发送的非0窗口的报文段丢失了
    • 发送方的发送窗口一直为零，双方陷入僵局

  • 解决方案

    • 当发送方收到0窗口通知时，这时停止发送报文
    • 并且同时开启一个定时器，隔一段时间就发个测试报文取询问接收方最新的窗口大小

TCP—拥塞控制

  • 拥塞控制

    • 防止过多的数据注入到网络中
    • 避免网络中的路由器或者链路过载

  • 拥塞控制是一个全局性的过程

    • 涉及到所有的主机、路由器
    • 以及与降低网络传输性能有关的所有因素
    • 是大家共同努力的结果

  • 相比而言，流量控制是点对点通信的控制

TCP—拥塞控制—方法

  • 慢开始（slow start，慢启动）

  • 拥塞避免（congestion avoidance）

  • 快速重传（fast retransmit）

  • 快速回复（fast recovery）

  • 几个缩写

    • MSS（Max Segment Size）：每个段最大的数据部分大小

      • 在建立连接时确定

    • cwnd（congestion window）：拥塞窗口

    • rwnd（receive window）：接收窗口

    • swnd（send window）：发送窗口

      • swnd=min(cwnd，rwnd)

TCP—拥塞控制—慢开始

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  • ​ image-20221230145342128
    • cwnd的初始值比较小，然后随着数据包被接收方确认（收到一个ACK），cwnd成倍增长

TCP—拥塞控制—拥塞避免

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    • ssthresh（slow start threshold）：慢开始阈值，cwnd到达阈值后，以线性方式增加
    • 拥塞避免（加法增大）：拥塞窗口缓慢增大，以防止网络过早出现拥塞
    • 乘法减小：只要网络出现拥塞，把ssthresh减半，与此同时，执行慢开始算法（cwnd又恢复到初始值）
      • 当网络出现频繁拥塞时，ssthresh值就下降的很快

TCP—拥塞控制—快重传

  • 接收方
    • 每收到一个失序的分组后就立即发出重复确认
    • 使发送方及时知道有分组没有到达
    • 而不要等待自己发送数据时才进行确认
  • 发送方
    • 只要连续收到三个重复确认（总共4个相同的确认），就应当立即重传对方尚未收到的报文段
    • 而不必继续等待重传计时器到期后再重传
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TCP—拥塞控制—快重传+快恢复

  • image-20221230152031954
    • 当发送方连续收到三个重复确认，就执行“乘法最小”算法，把ssthresh减半
      • 这是为了预防网络发生拥塞
    • 由于发送方现在认为网络很可能没有发生拥塞
      • 因此，与慢开始不同之处是现在不执行慢开始算法，即cwnd现在不恢复到初始值
      • 而是把cwnd值设置为ssthresh减半后的数值
      • 然后开始执行拥塞避免算法（“加法增大”)，使拥塞窗口缓慢地线性增大

TCP—拥塞控制—发送窗口的最大值

  • 发送窗口的最大值：swnd=min（cwnd，rwnd）
  • 当rwnd<cwnd时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值
  • 当cwnd<rwnd时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值

TCP—序号，确认号

  • TCP—序号（Seq），确认号（Ack）

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      • 建立连接的请求，只有头部，没有数据部分，数据部分长度为0。

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      • TCP数据部分依然为0，这只是一个确认的包
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TCP—建立连接——3次握手

  • CLOSED：client处于关闭状态

  • LISTEN：server处于监听状态，等待client连接

  • SYN-RCVD：表示server接受到了SYN报文，当收到client的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态

  • SYN-SENT：表示client已发送SYN报文，等待server的第二次握手

  • ESTABLISHED：表示连接已经建立

  • TCP—建立连接——前两次握手的特点

    • SYN都设置为1
    • 数据部分的长度都为0
    • TCP头部的长度一般都是32字节
      • 固定头部：20字节
      • 选项部分：12字节
    • 双方会交换确认一些信息
      • 比如MSS，是否支持SACK，Window scale（窗口缩放系数）等。
      • 这些数据都放在了TCP头部的选项部分中（12字节）

  • 为什么建立连接的时候，要进行3次握手？2次不行吗？

    • 主要目的：防止server端一直等待，浪费资源

  • 如果建立连接只需要2次握手，可能会出现的情况：

    • 假设client发出的第一个连接请求报文段，因为网络延迟，在连接释放以后的某个时间才到达server
    • 本来这是一个早已失效的连接请求，但server收到此失效的请求后，误认为是client再次发出的一个新的连接请求
    • 于是server就向client发出确认报文段，同意建立连接
    • 如果不采用三次握手，那么只要server发出确认，新的连接就建立了
    • 由于现在client并没有真正地想连接服务器的意愿，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据
    • 但server却以为新的连接已经建立，并一直等待client发来数据；这样，server的很多资源就白白浪费掉了

  • 采用”三次握手“的办法可以防止上述现象的发生

    • 例如上述情况，client没有向server的确认发出确认，server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接

  • 第三次握手失败了，会怎么处理？

    • 此时server的状态为SYN-RECV，若等不到client的ACK，server会重新发送SYN+ACK包
    • 如果server多次重发SYN+ACK都等不到client的ACK，就会发送RST包，强制关闭连接
    • image-20230103164052219

TCP—断开连接—4次挥手

  • 为什么释放连接的时候，要进行4次握手？

    • TCP是全双工模式
    • 第1次挥手：当主机1发出FIN报文段时
      • 表示主机1告诉主机2，主机1已经没有数据要发送了；但是，此时主机1还是可以接受来自主机2的数据
    • 第2次挥手：主机2返回ACK报文段时
      • 表示主机2已经知道主机1没有数据发送了，但是主机2还是可以发送数据到主机1的
    • 第3次挥手：当主机2也已发送了FIN报文段时
      • 表示主机2告诉主机1，主机2已经没有数据要发送了
    • 第4次挥手：当主机1返回ACK报文段时
      • 表示主机1已经知道主机2没有数据发送了。随后正式断开整个TCP连接

  • 状态解读

    • FIN-WAIT-1：表示想主动关闭连接
      • 向对方发送了FIN报文，此时进入到FIN-WAIT-1状态
    • CLOSE-WAIT：表示在等待关闭
      • 当对方发送FIN给自己，自己会回应一个ACK报文给对方，此时进入到CLOSE-WAIT状态
      • 在此状态下，需要考虑自己是否还有数据要发送给对方；如果没有，发送FIN报文给对方
    • FIN-WAIT-2：只要对方发送ACK确认后，主动方就会处于FIN-WAIT-2状态，然后等待对方发送FIN报文
    • CLOSING：一种比较罕见的例外状态
      • 表示你发送FIN报文后，并没有受到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文
      • 如果双方几乎在同时准备关闭连接的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，即会出现CLOSING状态
      • 表示双方都正在关闭SOCKET连接
    • LAST-ACK：被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文
      • 当收到ACK报文后，即可进入CLOSED状态
    • TIME-WAIT：表示收到了对方的FIN报文，并且发送了ACK报文，就等2MSL后即可进入CLOSED状态了
      • 如果FIN-WAIT状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时
        • 可以直接进入到TIME-WAIT状态，而无需经过FIN-WAIT-2状态
    • CLOSED：关闭状态
    • 由于有些状态的时间比较短暂，所以很难用netstat命令看到，比如SYN-RCVD、FIN-WAIT-1等

  • TCP/IP协议栈在设计上，允许任何一方先发起断开请求。这里演示的是client主动要求断开。

  • client发送ACK后，需要有个TIMR-WAIT阶段，等待一段时间后，在真正关闭连接

    • 一般是等待2倍的MSL（Maximum Segment Lifetime，最大分段生存期）
    • MSL是TCP报文在Internet上的最长生存时间
    • 每个具体的TCP实现都必须选择一个确定的MSL值，RFC 1122建议是2分钟

  • 如果client发送ACK后马上释放了，然后又因为网络原因，server没有收到client的ACK，server就会重发FIN

    • 这时可能出现的情况是
      • client没有任何响应，服务器那边会干等，甚至多次重发FIN，浪费资源
      • client有个新的应用程序刚好分配了同一个端口号，新的应用程序收到FIN后马上开始指向断开连接的操作，本来它可能是想跟server建立连接的

  • 有时再使用抓包工具的时候，有可能只会看到3次挥手

    • 这其实是将第2，3次挥手合并了

  • 当server接收到client的FIN时，如果server后面也没有数据要发送给client了

    • 这时，server就可以将第2，3次挥手合并，并告诉client两件事
      • 已经知道client没有数据要发了
      • server已经没有数据要发了

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