一文詳解TCP協(xié)議

TCP協(xié)議深入

TCP通過(guò)檢驗(yàn)和、序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答、重發(fā)控制、連接管理以及窗口控制等機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸

1. 序列號(hào)+確認(rèn)應(yīng)答

在TCP中，當(dāng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)到達(dá)接收主機(jī)時(shí)，接收端主機(jī)會(huì)返回一個(gè)已收到消息的通知，這個(gè)消息叫做確認(rèn)應(yīng)答（ACK）； 序列號(hào)是按照順序給發(fā)送數(shù)據(jù)的每一個(gè)字節(jié)都標(biāo)上號(hào)碼的編號(hào)。 接收端查詢接收數(shù)據(jù)TCP首部中的序列號(hào)和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，將自已下一步應(yīng)該接收的序號(hào)作為確認(rèn)應(yīng)答返送回去

2. 重發(fā)超時(shí)

重發(fā)超時(shí)是指在重發(fā)數(shù)據(jù)之前，等待確認(rèn)應(yīng)答到來(lái)的那個(gè)特定時(shí)間間隔，如果超過(guò)了這個(gè)時(shí)間仍未收到確認(rèn)應(yīng)答，發(fā)送端將進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)。 理想的重發(fā)超時(shí)具體時(shí)長(zhǎng)是找到一個(gè)最小時(shí)間，它能保證確認(rèn)應(yīng)答一定能在這個(gè)時(shí)間內(nèi)返回

數(shù)據(jù)也不會(huì)無(wú)限、反復(fù)地重發(fā)。 達(dá)到一定重發(fā)次數(shù)后，若仍沒有任何確認(rèn)應(yīng)答返回，就會(huì)判斷為網(wǎng)絡(luò)或?qū)Χ酥鳈C(jī)發(fā)生了異常，強(qiáng)制關(guān)閉連接，并通知應(yīng)用通訊異常強(qiáng)行終止

3. 連接管理

為了準(zhǔn)確無(wú)誤地將數(shù)據(jù)送達(dá)目標(biāo)處，TCP協(xié)議采用了 三次握手 （three-way handshaking）策略。 用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)包送出去后，TCP一定會(huì)向?qū)Ψ酱_認(rèn)是否成功送達(dá)。 若在握手過(guò)程中某個(gè)階段莫名中斷，TCP協(xié)議會(huì)再次以相同的順序發(fā)送相同的順序包。 而 四次揮手 （Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個(gè)TCP連接時(shí)，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個(gè)包以確認(rèn)連接的斷開

三次握手，即建立連接

第一次握手：客戶端發(fā)送一個(gè)帶SYN標(biāo)志的TCP報(bào)文到服務(wù)器。 這是三次握手過(guò)程中的段1

第二次握手：服務(wù)器端回應(yīng)客戶端，是三次握手中的第2個(gè)報(bào)文段，同時(shí)帶ACK標(biāo)志和SYN標(biāo)志。 它表示對(duì)剛才客戶端SYN的回應(yīng)； 同時(shí)又發(fā)送SYN給客戶端，詢問(wèn)客戶端是否準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

第三次握手：客戶必須再次回應(yīng)服務(wù)器端一個(gè)ACK報(bào)文，這是報(bào)文段3

數(shù)據(jù)傳輸

客戶端發(fā)出段4，包含從序號(hào)1001開始的20個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

服務(wù)器發(fā)出段5，確認(rèn)序號(hào)為1021，對(duì)序號(hào)為1001-1020的數(shù)據(jù)表示確認(rèn)收到，同時(shí)請(qǐng)求發(fā)送序號(hào)1021開始的數(shù)據(jù)，服務(wù)器在應(yīng)答的同時(shí)也向客戶端發(fā)送從序號(hào)8001開始的10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，這稱為piggyback。

客戶端發(fā)出段6，對(duì)服務(wù)器發(fā)來(lái)的序號(hào)為8001-8010的數(shù)據(jù)表示確認(rèn)收到，請(qǐng)求發(fā)送序號(hào)8011開始的數(shù)據(jù)

四次揮手，即關(guān)閉連接

第一次揮手：客戶端發(fā)出段7，F(xiàn)IN位表示關(guān)閉連接的請(qǐng)求

第二次揮手：服務(wù)器發(fā)出段8，應(yīng)答客戶端的關(guān)閉連接請(qǐng)求

第三次揮手：服務(wù)器發(fā)出段9，其中也包含F(xiàn)IN位，向客戶端發(fā)送關(guān)閉連接請(qǐng)求

第四次揮手：客戶端發(fā)出段10，應(yīng)答服務(wù)器的關(guān)閉連接請(qǐng)求

下圖是一次完整的三次握手、數(shù)據(jù)傳輸以及四次揮手的wireshark抓包測(cè)試

4. 流控制

在建立TCP連接時(shí)，可以確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的單位，即最大消息長(zhǎng)度（MSS：Maximum Segment Size）。 MSS是在三次握手的時(shí)候，在兩端主機(jī)之間被計(jì)算得出的。 兩端的主機(jī)在發(fā)出建立連接的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在TCP首部中寫入MSS選項(xiàng)，告訴對(duì)方自已的接口能夠適應(yīng)的MSS大小，然后會(huì)在兩者之間選擇一個(gè)較小的值投入使用

TCP以一個(gè)段為單位，若每發(fā)一個(gè)段進(jìn)行一次確認(rèn)應(yīng)答的處理，會(huì)導(dǎo)致往返時(shí)間較長(zhǎng)通信性能較低。 為了解決該問(wèn)題，引入了窗口這個(gè)概念，使得確認(rèn)應(yīng)答不再是以每個(gè)分段，而是以更大的單位進(jìn)行確認(rèn)

窗口大小就是指無(wú)需等待確認(rèn)應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值。 這個(gè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了使用大量的緩沖區(qū)，通過(guò)對(duì)多個(gè)段同時(shí)進(jìn)行確認(rèn)應(yīng)答的功能。 在收到確認(rèn)應(yīng)答的情況下，將窗口滑動(dòng)到確認(rèn)應(yīng)答中的序列號(hào)的位置，就可以順序地將多個(gè)段同時(shí)發(fā)送以提高通信性能。 這種機(jī)制也被稱為滑動(dòng)窗口控制

上圖就是一個(gè)滑動(dòng)窗口控制實(shí)例，其詳細(xì)流程見如下分析：

發(fā)送端發(fā)起連接，聲明最大段尺寸是1460，初始序號(hào)是0，窗口大小是4K，表示“我的接收緩沖區(qū)還有4K字節(jié)空閑，你發(fā)的數(shù)據(jù)不要超過(guò)4K”。 接收端應(yīng)答連接請(qǐng)求，聲明最大段尺寸是1024，初始序號(hào)是8000，窗口大小是6K。 發(fā)送端應(yīng)答，三方握手結(jié)束。

發(fā)送端發(fā)出段4-9，每個(gè)段帶1K的數(shù)據(jù)，發(fā)送端根據(jù)窗口大小知道接收端的緩沖區(qū)滿了，因此停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

接收端的應(yīng)用程序提走2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)又有了2K空閑，接收端發(fā)出段10，在應(yīng)答已收到6K數(shù)據(jù)的同時(shí)聲明窗口大小為2K。

接收端的應(yīng)用程序又提走2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)有4K空閑，接收端發(fā)出段11，重新聲明窗口大小為4K。

發(fā)送端發(fā)出段12-13，每個(gè)段帶2K數(shù)據(jù)，段13同時(shí)還包含F(xiàn)IN位。

接收端應(yīng)答接收到的2K數(shù)據(jù)（6145-8192），再加上FIN位占一個(gè)序號(hào)8193，因此應(yīng)答序號(hào)是8194，連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，接收端同時(shí)聲明窗口大小為2K。

接收端的應(yīng)用程序提走2K數(shù)據(jù)，接收端重新聲明窗口大小為4K。

接收端的應(yīng)用程序提走剩下的2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)全空，接收端重新聲明窗口大小為6K。

接收端的應(yīng)用程序在提走全部數(shù)據(jù)后，決定關(guān)閉連接，發(fā)出段17包含F(xiàn)IN位，發(fā)送端應(yīng)答，連接完全關(guān)閉。

下圖是一次完整的滑動(dòng)窗口控制實(shí)例的wireshark抓包分析：

開啟以socket客戶端，發(fā)送2593個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到開發(fā)板

使用wireshark抓包工具，抓取完整的收發(fā)過(guò)程