TCP协议相关特性

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是互联网传输层协议之一，也是 TCP/IP 协议簇的核心协议。它的作用是在 IP 网络上提供可靠的、面向连接的通信。

TCP基本特点: 有链接,可靠传输, 面向字节流 ,全双工

TCP协议段格式

源端口和目的端口：标识源和目标应用程序的端口号；
序列号：用于对TCP流中的字节进行编号，保证数据的顺序传输；
确认号：用于确认已经接收的数据的序列号；
4位TCP报头长度:表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节);(TCP头部最大长度是15*4=60)
6位标志位:
- URG: 紧急指针是否有效, 当URG标志位被设置时，表示在TCP数据中有紧急数据需要尽快传送。
- ACK: 确认号是否有效, 当ACK标志位被设置时，表示确认号字段中的值为有效的确认号，表示接收方已经成功接收到的数据。
- PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
- RST: 对方要求重新建立连接; 携带RST标识的称为复位报文段
- SYN: 请求建立连接; 携带SYN标识的称为同步报文段
- FIN: 通知对方本端要关闭了; 携带FIN表示的称为结束报文段
窗口大小：接收方的接收窗口大小，用于流量控制
校验和：用于验证TCP头部和数据的正确性
紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据
选项：可选字段，可以包括最大段大小、时间戳等信息。

TCP核心机制

确认应答

确认应答的过程是在TCP建立连接时使用的一种机制，用于确保数据的可靠传输。确认应答通过ACK标志位来实现。

TCP将每个字节的数据都进行了编号,即序列号. 每一个ACK都带有对应的确认序列号, 表示已经成功接收到发送方的数据。发送方收到该确认数据段后，会根据接收方发送的确认号更新自己的发送窗口，并根据需要继续发送数据。

超时重传

主机A发送数据给B后,可能因为网络拥堵等原因,导致数据无法到达B;

如果A在一个特定的时间间隔没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发;(A没有收到确认应答也可能是因为B发送的ACK丢失了)

如上图,B会受到很多重复数据,TCP协议就会根据序列号,识别出哪些是重复的,并把重复的去掉,利用序列号,就可以很容易的做到去重的效果

此外,网络传输中还会出现 "后发先至" 的问题,也可以通过序列号来进行解决

"特定的时间间隔"如何确定?

最理想的情况,找到一个最小的时间,保证"确认应答一定能在这个时间返回"
时间长短随网络环境不同存在差异
超时时间设的太长,会影响整体的重传效率
超时时间设的太短,可能会频繁发送重复的包

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信,因此会动态计算这个最大超时时间

Linux(BSD Unix / Windows)中,超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍.(如果重发一次之后,仍然得不到应答,等待2*500ms再重传,如果仍然得不到应答,等待4*500ms...以此类推进行递增)累积到一定重传次数后,TCP就会认为网络或者对端主机出现异常,并强制关闭连接

确认应答和超时重传 , 相互补充 , 共同构建了TCP "可靠传输机制"

连接管理

建立连接:"三次握手"

第一步：客户端向服务器发送连接请求报文段（SYN）。
第二步：服务器收到请求后，回复客户端一个连接确认报文段（SYN+ACK）。
第三步：客户端收到确认后，再次向服务器发送一个确认报文段（ACK），完成连接建立。

三次挥手的意义

"投石问路",初步验证通信链路是否畅通
确认双方各自的发送能力和接受能力是否都正常
让通信双方在进行通信之前,对通信过程中需要用到的一些关键参数进行协商

断开连接:"四次挥手"

第一步：客户端向服务器发送连接释放请求报文段（FIN），表示客户端不再发送数据。
第二步：服务器接收到连接释放请求后，向客户端发送一个确认报文段（ACK）作为确认。
第三步：服务器完成数据传输后，向客户端发送一个连接释放请求报文段（FIN），表示服务器也准备关闭连接。
第四步：客户端接收到连接释放请求后，回复服务器一个确认报文段（ACK），确认服务器的关闭请求。

三次握手,三次是因为中间两次交互合并在一起了,而对于四次挥手来说,中间两次,大概率是不能合并的

对于三次握手来说: 中间的两次 ACK+SYN,都是在内核中,由操作系统负责进行的
对于四次挥手来说: ACK是内核控制的,但是SYN的触发则是通过应用程序,调用close/进程退出,来触发的

(次数,指的就是网络通信的次数,"握手/挥手",传输一个不携带任何业务数据(载荷)的数据报)

TCP状态汇总

粗虚线表示服务端的状态变化情况
粗实线表示客户端的状态变化情况
CLOSED是一个假想的起始点,不是真实状态

CLOSED: 初始状态，表示TCP连接处于关闭状态。
LISTEN: 服务器处于监听状态(绑定好端口,初始化完毕)，等待客户端连接请求。
SYN_SENT: 客户端发送了连接请求（SYN），等待服务器的确认。
SYN_RECEIVED: 服务器接收到客户端的连接请求，并发送确认（SYN+ACK）。
ESTABLISHED: 连接已建立，双方可以进行数据传输。
FIN_WAIT_1: 客户端发送连接关闭请求（FIN），等待服务器的确认。
CLOSE_WAIT: 服务器收到客户端的关闭请求，等待关闭连接。
FIN_WAIT_2: 客户端收到服务器的确认，等待服务器发送关闭请求。
LAST_ACK: 服务器发送关闭请求，等待客户端的确认。
TIME_WAIT: 连接已关闭，等待一段时间（2倍的最长报文段寿命(2MSL)）以确保所有报文都已被接收
CLOSED_WAIT: 服务器在关闭连接之后，接收到来自客户端的数据。

为什么TIME_WAIT的时间是2MSL?

TIME_WAIT持续存在2MSL,能保证在两个传输方向上的尚未被接收或迟到的报文段都已经消失(否则服务器立刻重启,可能会收到来自上一个进程的迟到的数据,但是这种数据很可能是错误的). 同时也是在理论上保证最后一个报文可靠到达(假设最后一个ACK丢失,那么服务器会重发一个FIN,这时虽然客户端的进程不在了,但是TCP连接还在,仍然可以重发LAST_ACK)

服务器上出现大量CLOSE_WAIT状态是为啥?

服务器没有正确关闭socket,导致四次挥手没有正确完成,排查close是否写了以及是否及时的执行到了

滑动窗口

确认应答策略,对每个发送的数据段,都给了一个ACK确认应答,收到ACK后再发送下一个数据段. 这样做有一个比较大的缺点:影响性能

这样一发一收的方式性能较低,那么一次发送多条数据,就可以提高性能(把多次等待ACK的时间合并成一段时间)

窗口大小指的是无需等待确认应答就可以继续发送数据的最大值(上右图窗口大小就是4000个字节)
发送前四个段时不需要等待任何ACK,直接发送
收到第一个ACK后,滑动窗口向后移动,继续发送第五个段的数据,以此类推
操作系统内核为了维护这个滑动窗口,需要开辟发送缓冲区来记录当前还有哪些数据没有应答,只有确认应答过的数据,才能从缓冲区删掉
窗口越大,网络的吞吐率越高

如果出现丢包,如何进行重传?

情况一:数据包抵达,ACK丢了

部分ACK丢了,可以通过后续的ACK进行确认(如上图,1001ACK丢了,但是2001ACK收到了,此时认为2001之前的数据都已经收到了)

情况二:数据包直接丢了

当某一段报文段丢失之后,发送端会一直受到1001ACK,就像是在提醒发送端"我想要的是1001". 如果发送端主机连续三次都收到了同样"1001"这样的应答,就会将对应的1001-2000重新发送. 这个时候接收端收到了1001之后,再次返回的ACK就是7001(2001-7000接收端已经收到了,被放到了接收端操作系统内核的接收缓存区中),这种机制被称为"高速重发机制",也叫"快重传"

流量控制

虽然滑动窗口能够高效可靠的发送大量数据,但是通信是发送端和接受端两个"人"的事,发送端发的太快,导致接收端的缓冲区被塞满了,此时继续发送就会导致丢包,此时就需要根据接收方处理数据的能力,制约发送方的发送速度.

当接收方的接收缓冲区有足够的空间时，可以扩大接收窗口的大小，发送方可以发送更多的数据。当接收方的接收缓冲区不足以容纳更多的数据时，可以缩小接收窗口的大小，发送方必须减缓发送速率，以避免数据丢失或者缓冲区溢出。

TCP中,接收方收到数据的时候,就会把接受缓冲区剩余空间大小通过ACK数据报反馈给发送方,这样发送方就可以依据这个数据来设置发送的窗口大小了

接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入TCP首部中的"窗口大小"字段,通过ACK端统治发送端
窗口大小字段越大,说明网络的吞吐率越高
接收端一旦发现自己的缓冲区快满了,就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端
发送端接收到这个窗口之后,就会减慢自己的发送速度
如果接收端缓冲区满了,就会将窗口置为0.这时发送方不再发送数据,但是需要定期发送一个窗口探测数据段,是接收端把窗口大小告诉发送端

TCP首部中,有一个16位窗口字段,就是存放了窗口大小信息.16位数字最大表示65535,但并不代表TCP窗口大小最大就是65535字节,TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M,实际窗口大小是窗口字段的值左移M位

拥塞控制

拥塞控制是指在网络中防止或减轻网络拥塞的一系列技术和算法。TCP协议中的拥塞控制机制通过监测网络的拥塞程度，并根据不同的情况调整数据的发送速率以避免过载。

慢启动

发送方在开始传输数据时，以指数级增加发送窗口的大小，以快速适应网络的带宽。当发送方检测到网络拥塞时，会触发拥塞避免算法。

慢启动的过程如下：

刚开始传输数据,拥塞窗口会非常小,用一个很小的速度来发送数据
不丢包,增大窗口大小.进行指数增长
增长到一定程度,达到一个阈值（拥塞窗口阈值）,此时即使没丢包,也会停止指数增删,变为线性增长
线性增长,也会持续使发送速度越来越快,达到某个情况下,出现丢包。
出现丢包,减小发送速度,减小窗口大小(两种处理方式)
1. 已废弃方案:从头开始,回归慢启动最开始的阶段,重复1-4过程
2. 现在的方案:回到新的阈值上,进行线性增长

在慢启动阶段，发送方会指数级地增加发送窗口的大小，从而增加数据的发送速率。慢启动阶段的目的是通过快速增加发送窗口的大小，迅速探测网络的可用带宽。但同时，慢启动也有一定风险，如果发送方过快地增加发送窗口的大小，可能会导致网络拥塞。因此，TCP协议中还包括了拥塞避免和快速重传等机制，以便在网络拥塞时减小发送速率。