TCP学习记录

• 3次握手的流程

 

1. 开始客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。
2. 先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态。
3. 客户端主动发起连接 SYN，之后处于 SYN-SENT 状态
4. 服务端收到发起的连接，返回 SYN，并且 ACK 客户端的 SYN，之后处于 SYN-RCVD 状态。
5. 客户端收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后，发送 ACK 的 ACK，之后处于 ESTABLISHED 状态，因为它一发一收成功了。
6. 服务端收到 ACK 的 ACK 之后，处于 ESTABLISHED 状态，因为它也一发一收了。

 

 

为什么是三次握手？

    我认为核心的思想是为了发送端、接收端双方互相确认处于基本就绪的状态。

    设定A为发送端，B为接收端。若为两次握手，在B确认应答后即确认连接。这个时候，A是知道B的状态是可用的，但B不确定A的状态是否还在可用状态。另一方面，如果A在发起连接的时候存在超时重传，多发了几个连接包，在A、B数据传输完毕关闭连接后，这个重传的包到达，如果B认为可以建立，那么就会引发无效连接。

 

    那么，又为什么不是四次呢？这里四次、四十次都是差不多的，在A给B回复应答包（即第三次握手），也有可能会因为网络原因将应答包丢失，那岂不是意味着还得B来个应答包的应答？那这不是没完没了了吗。所以，这里保证双方都有一个来回，处于基本就绪状态即可。而且，就算第三次握手的包丢了，后续作为主动发起连接的A可以发送数据到B，也可以作为一个应答。而如果B关闭了，那么可以返回B不可达。

 

三次握手建立连接额外做的事情。

建立连接时确认包的序号，A在发起时需要提供自己序号（seq）给B，而B在应答A的SYN请求时，也需要回复一个自己的序号（seq）给A。而这个序号的生成策略又是怎么样的呢，这个策略可以概括为（计数器+随机hash）组合而成。计数器可以看成是32位的int类型，每过4毫秒就会+1，重新一轮开始大概需要4个多小时，已经远大于IP包的TTL时间。而仅仅依靠计数器还是有可能遇到重复的序号，所以还需要把发送端和接受端的ip和端口组合，再利用hash函数生成一个随机值即可避免重复。具体的规则为：hash (localhost, localport, remotehost, remoteport) 。

 

 

• 四次握手

假设主动发起关闭的为客户端A。被动关闭的为服务端B。流程如下：

1. A主动发起Fin信号，请求关闭连接，进入Fin-wait-1状态。
2. B收到关闭请求后，回复Ack包。但此时被动关闭的那一方还可能有数据未发送，因此没有发送Fin包表示可以关闭连接。
3. A收到应答包后，进入Fin-wait-2状态，等待B完成数据传输。
4. A收到B的Fin包，表明B的数据已经传输完成，此时A进入TimeWait状态，等待最多2MSL。同时向B发送应答包。
5. B收到A的应答包，随即关闭连接。
6. 2MSL时间过后，A也关闭连接。

为什么要等待2MSL的时间？

因为A发送的最后一个应答包有可能会丢失。此时如果B长时间没有收到这个应答包，那么B就会再发一个Fin包给A。A收到这个Fin包后知道可能是自己的应答包丢失了，此时再重新发送一个应答包。并刷新2MSL时间，重新等待。

另外，如果立即关闭，端口可能会被另一个连接所占用。此时如果B还有一些因为网络原因而延迟到达的数据包，虽然因为序列号不同可以区分。但是这里的等待时间也可以让这些包都被正确的丢弃处理。

MSL （Maximum Segment Lifetime） ： 报文最大生存时间。般为2分钟，根据不同的实现有一点不同。Linux系统可以通过cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 查看。

 

为什么是四次握手？

其实与3次握手同理。额外的不同在于，被动关闭连接的一方可能还需要处理未发送完成的数据，因此需要一次额外的Fin应答来完成第三次握手。

 

 

• 确认应答

TCP协议发送的每一个数据包，都有一个唯一的序列号。通过这个序列号可以形成以下模式，通过发送与确认来保证数据包一定到达了目的地址。

发送端消息：本次数据包的序号为n。

接收端应答： 已收到序号为n的数据包，下一个数据包应该是n+1。

• 超时重传

当网络出现堵塞或故障时，某个数据包丢失。这个时候，主机A会维护一个计时器，记录每个包发送的时间，同时根据RTT（数据往返时间）加权平均算出一个数值，一旦超过了的时间阈值，主机A就会重新发送这个数据包。并且，如果触发了超时重传，即代表了网络不顺畅，不应该频繁的发送数据包，此时计时器会以原有将超时阈值*2，避免频率重传。

• 滑动窗口

上述模式，虽然可以进行数据的可靠数据传输，但是如果每次都等到接收端响应才能发送下一个，那么效率将会大大折扣。如果主机A可以一次性发送多个数据包，然后根据主机B的应答情况再进行重传或继续发送。那不是可以提高效率？

为了解决这个问题，TCP采用一种叫滑动窗口的算法，来控制发送端、接受端数据包的传送与接收。如下图所示：

窗口左边界的左边，是已经完成并被Ack确认的数据包，窗口中是已经发送但没有Ack确认的数据包，窗口右边界右边是还未发送的数据包。每当主机B应答后，窗口就会向前滑动。同样，这里的确认应答也有优化的空间。例如：这里主机A一共发送了1、2、3、4总共四个数据包。假设主机B按照顺序收到，同时回复了4个Ack应答包，但是回复1、2、3的应答包丢失了，不过如果4的应答包收到，此时主机A还是能判断出1、2、3这几个包是已经确认收到的，就不需要触发超时重传了。

 

接收端同样维护着一个滑动窗口如下图。红色框就是一个滑动窗口，接收已确认是指已经发送Ack应答包给主机A的数据包，这些包在应用层程序读取后，窗口开始向右滑动。而等待接收未确认的是则是还没收到主机A的数据包。且当前能收到的最大数据包用量即为：（窗口大小-接收已确认大小）。

 

• 快速重传

触发超时重传，需要等待一定的时间，而如果网络明明是畅通的，只是因为偶发故障而引起丢包，而又因为缺失这个应答而无法继续传输后面的数据包，那就会极大影响效率。这个时候就需要快速重传机制，这种机制概括的说：就是当一个包丢失，接收端在收到后面的数据包后，回复的应答指定的下一个包应该是丢失的那个包的序号。如下图：

在序号为1001的数据丢失后，后续接收2001、3001、4001的ACK应答都是指定要求发送1001，当发送端收到重复3个应答包时，就可以再次发送1001的数据包，而不用等待超时重传。

 

 

 

• 流量控制问题

在上述的滑动窗口算法中，一次性发送多个包固然可以极大的提高发送的效率。但是却引发了一个问题：最多可以发送多少数据包呢？ 如果发少了那效率会受影响，如果发多了，那接收端有可能处理不过来。

这个时候就需要通过一种手段：由接收端告诉发送端当前可以接收的数据包数量，即根据接收端的处理能力来控制发送速率。这种机制就叫流量控制。

具体的做法是：在接收端发送Ack应答包的时候，都会把自己的可接受数据窗口大小返回给发送端，发送端根据这个大小来调整自己可以发送的数据包数量。在极端情况下，假设接收端一直没有读取数据，那么这个可发送的窗口会慢慢减小，甚至变为0。在等待一段时间后发送端才会主动探测是否可发送。

 

发送端：

发送端：（极端情况下）

接收端：

 

• 拥塞控制问题

在复杂的网络环境中，发送端发送数据的速率不仅仅要考虑接收端是否能处理。还需要考虑网络带宽的承受能力，如果网络出现堵塞，那么此时的发送速率也应该降下来，否则发送出去的包会丢失，同时经进一步加重网络堵塞的情况。而具体的做法就称作拥塞控制。

我们应该要明白一个道理，网络带宽是有限的，而发送速率刚好能填满带宽的时候是效率最高的时候。多了会引起包丢失，触发超时重传。少了则会导致效率不高。

那就引出了一个问题：TCP怎么判断当前的发送速率是效率最高的呢？

对于TCP协议而言，它也不知道当前的网络状况，所以它开始也是不知道最佳发送速率是多少。那怎么办？只能慢慢的尝试。就好像擀面皮，一开始有一斤粉，你快速的倒入水。后面发现水倒得有点多了，就开始加一点面粉进去（相当于减少水的含量），然后继续观察是否合适，最后慢慢减少添加的面粉，成功做出一个最佳状态的面皮。

而对于TCP协议而言，它通过维护一个拥塞窗口，这里也可以理解为发送包的最大数量。刚开始，窗口大小为1，随着发送端收到Ack应答包后，TCP开始对网络有点信心，于是指数级的增大该窗口，即：第一次为1，第二次为2，第三次为4·····。等增加到超过某个阈值的时候，经验指导此时不能再指数级的递增了，那么就开始线性递增。然而带宽终究是有限度的，经过递增后发生了包丢失、超时重传等现象，那么TCP就判断发生了网络拥堵，应该降低窗口的大小。

降低的策略是什么呢？传统的方法是直接变为最开始的大小。这种明显过于粗暴，如果只是偶发事件，一下子清空窗口大小会导致效率大受影响。所以，更好的策略是将当前窗口大小减半，然后继续以线性增长的形式增长。如下图所示：

 

拥塞控制的算法是不断的改进的，还有一个TCP BBR拥塞算法，它针对偶发丢包引发的拥塞控制问题、提高带宽利用率等问题进行了改进。连接如下： https://queue.acm.org/detail.cfm?id=3022184

 

总结：拥塞控制（发送端限制发送数量），流量控制（接收端限定发送端的发送数量）。两者的最小值就是最大发送速率。max_speed = min{ 拥塞窗口，流量窗口}