TCP 协议简析

TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议,数据在传输前要建立连接,传输完毕后还要断开连接。它是个超级麻烦的协议,是互联网的基础,也是每个程序员必备的基本功。首先来看看OSI的七层模型:

我们需要知道TCP工作在网络OSI的七层模型中的第四层——Transport层,IP在第三层——Network层,ARP在第二层——Data Link层;在第二层上的数据,我们把它叫Frame,在第三层上的数据叫Packet,第四层的数据叫Segment。 同时,我们需要简单的知道,数据从应用层发下来,会在每一层都会加上头部信息,进行封装,然后再发送到数据接收端。这个基本的流程你需要知道,就是每个数据都会经过数据的封装和解封装的过程。 在OSI七层模型中,每一层的作用和对应的协议如下: 

TCP是一个协议,那这个协议是如何定义的,它的数据格式是什么样子的呢?要进行更深层次的剖析,就需要了解,甚至是熟记TCP协议中每个字段的含义。 

 

上面就是TCP协议头部的格式,由于它太重要了,是理解其它内容的基础,下面就将每个字段的信息都详细的说明一下。

  • Source Port和Destination Port:分别占用16位,表示源端口号和目的端口号;用于区别主机中的不同进程,而IP地址是用来区分不同的主机的,源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一的确定一个TCP连接;
  • Sequence Number:用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的的第一个数据字节在数据流中的序号;主要用来解决网络报乱序的问题;
  • Acknowledgment Number:32位确认序列号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号,因此,确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加1。不过,只有当标志位中的ACK标志为1时该确认序列号的字段才有效。主要用来解决不丢包的问题;
  • Offset:给出首部中32 bit字的数目,需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占4bit(最多能表示15个32bit的的字,即4*15=60个字节的首部长度),因此TCP最多有60字节的首部。然而,没有任选字段,正常的长度是20字节;
  • TCP Flags:TCP首部中有6个标志比特,它们中的多个可同时被设置为1,主要是用于操控TCP的状态机的,依次为URGACKPSHRSTSYNFIN。每个标志位的意思如下:
    • URG:此标志表示TCP包的紧急指针域有效,用来保证TCP连接不被中断,并且督促中间层设备要尽快处理这些数据;
    • ACK:此标志表示应答域有效,就是说前面所说的TCP应答号将会包含在TCP数据包中;有两个取值:0和1,为1的时候表示应答域有效,反之为0;
    • PSH:这个标志位表示Push操作。所谓Push操作就是指在数据包到达接收端以后,立即传送给应用程序,而不是在缓冲区中排队;
    • RST:这个标志表示连接复位请求。用来复位那些产生错误的连接,也被用来拒绝错误和非法的数据包;
    • SYN:表示同步序号,用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用,当连接请求的时候,SYN=1,ACK=0;连接被响应的时候,SYN=1,ACK=1;
    • FIN: 表示发送端已经达到数据末尾,也就是说双方的数据传送完成,没有数据可以传送了,发送FIN标志位的TCP数据包后,连接将被断开。
  • Window:窗口大小,也就是有名的滑动窗口,用来进行流量控制;这是一个复杂的问题,这篇博文中并不会进行总结的;

好了,基本知识都已经准备好了,下面来看看TCP建立连接、发送数据及断开连接。

 

1.建立连接
使用 connect() 建立连接时,客户端和服务器端会相互发送三个数据包,俗称三次握手。可以形象的比喻为下面的对话:

  • [Shake 1] 套接字A:“你好,套接字B,我这里有数据要传送给你,建立连接吧。”
  • [Shake 2] 套接字B:“好的,我这边已准备就绪。”
  • [Shake 3] 套接字A:“谢谢你受理我的请求。”



客户端调用 socket() 函数创建套接字后,因为没有建立连接,所以套接字处于CLOSED状态;服务器端调用 listen() 函数后,套接字进入LISTEN状态,开始监听客户端请求。
这个时候,客户端开始发起请求:
1).当客户端调用 connect() 函数后,TCP协议会组建一个数据包,并设置 SYN 标志位,表示该数据包是用来建立同步连接的。同时生成一个随机数字 1000,填充“序号(Seq)”字段,表示该数据包的序号。完成这些工作,开始向服务器端发送数据包,客户端就进入了SYN-SEND状态。
2).服务器端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 标志位,就知道这是客户端发来的建立连接的“请求包”。服务器端也会组建一个数据包,并设置 SYN 和 ACK 标志位,SYN 表示该数据包用来建立连接,ACK 用来确认收到了刚才客户端发送的数据包。
服务器生成一个随机数 2000(2000 和客户端数据包没有关系),填充“序号(Seq)”字段。服务器将客户端数据包序号(1000)加1,得到1001,并用这个数字填充“确认号(Ack)”字段。服务器将数据包发出,进入SYN-RECV状态。
3).客户端收到数据包,检测到已经设置了 SYN 和 ACK 标志位,就知道这是服务器发来的“确认包”。客户端会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 1000+1,如果是就说明连接建立成功。
接下来,客户端会继续组建数据包,并设置 ACK 标志位,表示客户端正确接收了服务器发来的“确认包”。同时,将刚才服务器发来的数据包序号(2000)加1,得到 2001,并用这个数字来填充“确认号(Ack)”字段。客户端将数据包发出,进入ESTABLISED状态,表示连接已经成功建立。
4).服务器端收到数据包,检测到已经设置了 ACK 标志位,就知道这是客户端发来的“确认包”。服务器会检测“确认号(Ack)”字段,看它的值是否为 2000+1,如果是就说明连接建立成功,服务器进入ESTABLISED状态。
至此,客户端和服务器都进入了ESTABLISED状态,连接建立成功,接下来就可以收发数据了。

那为什么非要三次呢?怎么觉得两次就可以完成了。

在谢希仁的《计算机网络》中是这样说的:为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端,因而产生错误。

在书中同时举了一个例子,如下:

已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下:client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某个网络结点长时间的滞留了,以致延误到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报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段,同意建立连接。假设不采用“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并没有发出建立连接的请求,因此不会理睬server的确认,也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立,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发生。例如刚才那种情况,client不会向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。

 

2.数据传输
建立连接后,两台主机就可以相互传输数据了。如下图所示:


图1:TCP 套接字的数据交换过程

上图给出了主机A分2次(分2个数据包)向主机B传递200字节的过程。首先,主机A通过1个数据包发送100个字节的数据,数据包的 Seq 号设置为 1200。主机B为了确认这一点,向主机A发送 ACK 包,并将 Ack 号设置为 1301。

为了保证数据准确到达,目标机器在收到数据包(包括SYN包、FIN包、普通数据包等)包后必须立即回传ACK包,这样发送方才能确认数据传输成功。

此时 Ack 号为 1301 而不是 1201,原因在于 Ack 号的增量为传输的数据字节数。假设每次 Ack 号不加传输的字节数,这样虽然可以确认数据包的传输,但无法明确100字节全部正确传递还是丢失了一部分,比如只传递了80字节。因此按如下的公式确认 Ack 号:Ack号 = Seq号 + 传递的字节数 + 1

与三次握手协议相同,最后加 1 是为了告诉对方要传递的 Seq 号。

下面分析传输过程中数据包丢失的情况,如下图所示:


图2:TCP套接字数据传输过程中发生错误

上图表示通过 Seq 1301 数据包向主机B传递100字节的数据,但中间发生了错误,主机B未收到。经过一段时间后,主机A仍未收到对于 Seq 1301 的ACK确认,因此尝试重传数据。为了完成数据包的重传,TCP套接字每次发送数据包时都会启动定时器,如果在一定时间内没有收到目标机器传回的 ACK 包,那么定时器超时,数据包会重传。

上图演示的是数据包丢失的情况,也会有 ACK 包丢失的情况,一样会重传。

重传超时时间(RTO, Retransmission Time Out)

这个值太大了会导致不必要的等待,太小会导致不必要的重传,理论上最好是网络 RTT 时间,但又受制于网络距离与瞬态时延变化,所以实际上使用自适应的动态算法(例如 Jacobson 算法和 Karn 算法等)来确定超时时间。

往返时间(RTT,Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的 ACK 确认包(接收端收到数据后便立即确认),总共经历的时延。

重传次数

TCP数据包重传次数根据系统设置的不同而有所区别。有些系统,一个数据包只会被重传3次,如果重传3次后还未收到该数据包的 ACK 确认,就不再尝试重传。但有些要求很高的业务系统,会不断地重传丢失的数据包,以尽最大可能保证业务数据的正常交互。

最后需要说明的是,发送端只有在收到对方的 ACK 确认包后,才会清空输出缓冲区中的数据。

 

3.断开连接

建立连接非常重要,它是数据正确传输的前提;断开连接同样重要,它让计算机释放不再使用的资源。如果连接不能正常断开,不仅会造成数据传输错误,还会导致套接字不能关闭,持续占用资源,如果并发量高,服务器压力堪忧。

建立连接需要三次握手,断开连接需要四次握手,下图演示了客户端主动断开连接的场景,可以形象的比喻为下面的对话:

  • [Shake 1] 套接字A:“任务处理完毕,我希望断开连接。”
  • [Shake 2] 套接字B:“哦,是吗?请稍等,我准备一下。”
  • 等待片刻后……
  • [Shake 3] 套接字B:“我准备好了,可以断开连接了。”
  • [Shake 4] 套接字A:“好的,谢谢合作。”



建立连接后,客户端和服务器都处于ESTABLISED状态。这时,客户端发起断开连接的请求:
1).客户端调用 close() 函数后,向服务器发送 FIN 数据包,进入FIN_WAIT_1状态。FIN 是 Finish 的缩写,表示完成任务需要断开连接。
2).服务器收到数据包后,检测到设置了 FIN 标志位,知道要断开连接,于是向客户端发送“确认包”,进入CLOSE_WAIT状态。

注意:服务器收到请求后并不是立即断开连接,而是先向客户端发送“确认包”,告诉它我知道了,我需要准备一下才能断开连接。

3) 客户端收到“确认包”后进入FIN_WAIT_2状态,等待服务器准备完毕后再次发送数据包。
4) 等待片刻后,服务器准备完毕,可以断开连接,于是再主动向客户端发送 FIN 包,告诉它我准备好了,断开连接吧。然后进入LAST_ACK状态。
5) 客户端收到服务器的 FIN 包后,再向服务器发送 ACK 包,告诉它你断开连接吧。然后进入TIME_WAIT状态。
6) 服务器收到客户端的 ACK 包后,就断开连接,关闭套接字,进入CLOSED状态。

为什么客户端最后一次发送 ACK包后进入 TIME_WAIT 状态,而不是直接进入 CLOSED 状态关闭连接?
TCP 是面向连接的传输方式,必须保证数据能够正确到达目标机器,不能丢失或出错,而网络是不稳定的,随时可能会毁坏数据,所以机器A每次向机器B发送数据包后,都要求机器B”确认“,回传ACK包,告诉机器A我收到了,这样机器A才能知道数据传送成功了。如果机器B没有回传ACK包,机器A会重新发送,直到机器B回传ACK包。
客户端最后一次向服务器回传ACK包时,有可能会因为网络问题导致服务器收不到,服务器会再次发送 FIN 包,如果这时客户端完全关闭了连接,那么服务器无论如何也收不到ACK包了,所以客户端需要等待片刻、确认对方收到ACK包后才能进入CLOSED状态。那么,要等待多久呢?
TIME_WAIT 状态的说明
数据包在网络中是有生存时间的,超过这个时间还未到达目标主机就会被丢弃,并通知源主机。这称为报文最大生存时间(MSL,Maximum Segment Lifetime)。TIME_WAIT 要等待 2MSL 才会进入 CLOSED 状态。ACK 包到达服务器需要 MSL 时间,服务器重传 FIN 包也需要 MSL 时间,2MSL 是数据包往返的最大时间,如果 2MSL 后还未收到服务器重传的 FIN 包,就说明服务器已经收到了 ACK 包。

 

posted @ 2017-05-01 11:51  滴水瓦  阅读(631)  评论(0编辑  收藏  举报