计算机网络：这是一份全面 & 详细 的TCP协议学习指南

 

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前言

• 计算机网络基础 该是程序猿需掌握的知识，但往往会被忽略
• 今天，我将详细讲解计算机网络中最重要的TCP协议，含其特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等知识，希望你们会喜欢。

阅读本文前，请先了解计算机网络基础知识：献上一份全面 & 详细的计算机网络基础 学习指南

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目录

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1. 定义

Transmission Control Protocol，即 传输控制协议

1. 属于 传输层通信协议
2. 基于TCP的应用层协议有HTTP、SMTP、FTP、Telnet 和 POP3

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2 特点

• 面向连接、面向字节流、全双工通信、可靠
• 具体介绍如下：

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3. 优缺点

• 优点：数据传输可靠
• 缺点：效率慢（因需建立连接、发送确认包等）

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4. 应用场景（对应的应用层协议）

要求通信数据可靠时，即 数据要准确无误地传递给对方

如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP等协议；传输邮件：POP、SMTP等协议

• 万维网：HTTP协议
• 文件传输：FTP协议
• 电子邮件：SMTP协议
• 远程终端接入：TELNET协议

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5. 报文段格式

• TCP虽面向字节流，但传送的数据单元 = 报文段
• 报文段 = 首部 + 数据 2部分
• TCP的全部功能体现在它首部中各字段的作用，故下面主要讲解TCP报文段的首部

1. 首部前20个字符固定、后面有4n个字节是根据需而增加的选项
2. 故 TCP首部最小长度 = 20字节

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6. 建立连接过程

• TCP建立连接需 三次握手
• 具体介绍如下

成功进行TCP的三次握手后，就建立起一条TCP连接，即可传送应用层数据

注

1. 因 TCP提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据
2. 三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发

特别说明：为什么TCP建立连接需三次握手？

• 结论
  防止服务器端因接收了早已失效的连接请求报文，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源

• 具体描述

SYN洪泛攻击：

• 从上可看出：服务端的TCP资源分配时刻 = 完成第二次握手时；而客户端的TCP资源分配时刻 = 完成第三次握手时
• 这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击，即同时多个客户端发起连接请求，从而需进行多个请求的TCP连接资源分配

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7. 释放连接过程

• 在通信结束后，双方都可以释放连接，共需 四次挥手
• 具体如下

特别说明：为什么TCP释放连接需四次挥手？

• 结论
  为了保证通信双方都能通知对方 需释放 & 断开连接

即释放连接后，都无法接收 / 发送消息给对方

• 具体描述

延伸疑问：为什么客户端关闭连接前要等待2MSL时间？

1. 即 TIME - WAIT 状态的作用是什么；
2. MSL = 最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）

• 原因1：为了保证客户端发送的最后1个连接释放确认报文 能到达服务器，从而使得服务器能正常释放连接

• 原因2：防止 上文提到的早已失效的连接请求报文 出现在本连接中
  客户端发送了最后1个连接释放请求确认报文后，再经过2MSL时间，则可使本连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。

即 在下1个新的连接中就不会出现早已失效的连接请求报文

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8. 无差错传输

• 对比于UDP，TCP的传输是可靠的、无差错的
• 那么，为什么TCP的传输为什么是可靠的、无差错的呢？
• 下面，我将详细讲解TCP协议的无差错传输

8.1 含义

• 无差错：即 传输信道不出差错
• 发送 & 接收效率匹配：即 无论发送方以多快的速度发送数据，接收方总来得及处理收到的数据

8.2 基础：滑动窗口 协议

• 先理解2个基础概念：发送窗口、接收窗口

• 工作原理
  对于发送端：

1. 每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的距离
2. 当发送窗口内无可发送的帧时（即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧），发送方就会停止发送，直到收到接收方发送的确认帧使窗口移动，窗口内有可以发送的帧，之后才开始继续发送
   具体如下图：

对于接收端：当收到数据帧后，将窗口向前移动一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。

滑动窗口 协议的重要特性

• 只有接收窗口向前滑动、接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动
• 停止-等待协议、后退N帧协议 & 选择重传协议只是在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别：

1. 停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；即 单帧滑动窗口 等于 停止-等待协议
2. 后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1。
3. 选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1。

• 当接收窗口的大小为1时，可保证帧有序接收。
• 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的（注意要与TCP的滑动窗口协议区别）

8.3 实现无差错传输的解决方案

核心思想：采用一些可靠传输协议，使得

1. 出现差错时，让发送方重传差错数据：即 出错重传
2. 当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即 速度匹配

• 针对上述2个问题，分别采用的解决方案是：自动重传协议 和 流量控制 & 拥塞控制协议

解决方案1：自动重传请求协议ARQ（针对 出错重传）

• 定义
  即 Auto Repeat reQuest，具体介绍如下：

• 类型

下面，将主要讲解 上述3类协议

类型1：停等式ARQ（Stop-and-Wait）

• 原理：（单帧滑动窗口）停止 - 等待协议 + 超时重传

即 ：发送窗口大小=1、接收窗口大小=1

• 停止 - 等待协议的协议原理如下：

1. 发送方每发送一帧，要等到接收方的应答信号后才能发送下一帧
2. 接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接下一帧
3. 若接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待

类型2：后退N帧协议

也称：连续ARQ协议

• 原理
  多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传

即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小=1

• 具体描述
  a. 发送方：采用多帧滑动窗口的原理，可连续发送多个数据帧 而不需等待对方确认
  b. 接收方：采用 累计确认 & 后退N帧的原理，只允许按顺序接收帧。具体原理如下：

示例讲解

本示例 = 源站 向 目的站 发送数据帧。具体示例如下：

类型3：选择重传ARQ（Selective Repeat）

• 原理
  多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传

即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小>1

类似于类型2（后退N帧协议），此处仅仅是接收窗口大小的区别，故此处不作过多描述

• 特点
  a. 优：因连续发送数据帧而提高了信道的利用率
  b. 缺：重传时又必须把原来已经传送正确的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前面有一个数据帧出了错），将导致传送效率降低

由此可见，若信道传输质量很差，导致误码率较大时，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议

解决方案2：流量控制 & 拥塞控制（针对 速度匹配）

措施1：流量控制

• 简介

• 示例

• 特别注意：死锁问题

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措施2：拥塞控制

• 定义
  防止过多的数据注入到网络中，使得网络中的路由器 & 链路不致于过载

拥塞：对网络中的资源需求 > 该资源所能提供的部分

• 与 “流量控制”的区别

• 具体解决方案
  共分为2个解决方案：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

其中，涉及4种算法，即 慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复

具体介绍如下

解决方案1：慢开始 & 拥塞避免

1.1 储备知识：拥塞窗口、慢开始算法、拥塞避免算法

a. 拥塞窗口

• 发送方维持一个状态变量：拥塞窗口（cwnd， congestion window ），具体介绍如下

b. 慢开始算法

• 原理 当主机开始发送数据时，由小到大逐渐增大 拥塞窗口数值（即 发送窗口数值），从而 由小到大逐渐增大发送报文段

• 目的
  开始传输时，试探网络的拥塞情况

• 具体措施

• 示意图

• 特别注意
  慢开始的“慢”指：一开始发送报文段时拥塞窗口（cwnd）设置得较小（为1），使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况）

并不是指拥塞窗口（cwnd）的增长速率慢

c. 拥塞避免 算法

• 原理
  使得拥塞窗口（cwnd）按线性规律 缓慢增长：每经过一个往返时间RTT，发送方的拥塞窗口（cwnd）加1

1. 拥塞避免 并不可避免拥塞，只是将拥塞窗口按现行规律缓慢增长，使得网络比较不容易出现拥塞
2. 相比慢开始算法的加倍，拥塞窗口增长速率缓慢得多

• 示意图

1.2 解决方案描述（慢开始 & 拥塞避免）

• 为了防止拥塞窗口（cwnd）增长过大而引起网络拥塞，采用慢开始 & 拥塞避免 2种算法，具体规则如下

• 实例说明

解决方案2：快重传 & 快恢复

快重传 & 快恢复的解决方案 是对慢开始 & 拥塞避免算法的改进

2.1 储备知识：快重传算法、快恢复算法

a. 快重传算法

• 原理

  1. 接收方 每收到一个失序的报文段后 就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认
  2. 发送方只要一连收到3个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文段，而不必 继续等待设置的重传计时器到期

• 作用 由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%

• 示意图

b. 快恢复

当发送方连续收到3个重复确认后，就：

1. 执行 乘法减小 算法：把 慢开始门限（ssthresh）设置为 出现拥塞时发送方窗口值的一半 = 拥塞窗口的1半
2. 将拥塞窗口（cwnd）值设置为 慢开始门限ssthresh减半后的数值 = 拥塞窗口的1半
3. 执行 加法增大 算法：执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大。

注：

1. 由于跳过了拥塞窗口（cwnd）从1起始的慢开始过程，所以称为：快恢复
2. 此处网络不会发生网络拥塞，因若拥塞，则不会收到多个重复确认报文

2.2 解决方案描述（快重传 & 快恢复）

• 原理
  为了优化慢开始 & 拥塞避免的解决方案，在上述方案中加入快重传 & 快恢复 2种算法，具体规则如下

• 示意图

至此，关于TCP无差错传输的知识讲解完毕。

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9. 与UDP协议的区别

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10. 总结

• 本文全面讲解了 计算机网络中最重要的TCP协议，含其特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等知识，相信你们对TCP协议已经非常了解

• 下面我将继续讲解 编程开发的基础知识，有兴趣可以继续关注Carson_Ho的开发笔记