TCP（传输控制协议）

特点

• 面向连接
• 可靠传输
  有确认应答机制，重传机制，连接管理机制等；
• 面向字节流
  发送端执行的写操作次数和接收端执行的读操作次数之间没有任何数量关系，应用程序对数据的发送和接收是没有边界限制的
  传输灵活，按照字节传输/接收数据，可以堆积起来，一次性接收数据（但是这样有时会存在粘包问题），也可以一个一个字节去接收；

TCP协议格式

• 源/目的端口号：表示数据从哪个进程来，到哪个进程去；
• 32位序号：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。
• 32位确认号：用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1；
• 4位TCP报头长度：表示TCP头部有多少个32位（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度为15*4=60字节
• 6位标志位：
  URG: 紧急指针是否有效
  ACK: 确认号是否有效
  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; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
  SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段
  FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段
• 16位窗口大小：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。
• 16位校验和：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。
• 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据
• 40字节头部选项：TCP头部的最后一个选项字段（options）是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为TCP头部最长是60字节（其中还包含前面讨论的20字节的固定部分）

基于TCP实现的应用层协议有哪些???

• Telent(远程终端协议)
• SMTP(简单邮件传输协议)
• HTTP(超文本传输协议)
• DNS(域名解析协议)
• POP3(邮局协议版本3)
• FTP(文件传输协议)

TCP八大可靠传输机制

• 确认应答机制
• 超时重传机制
• 连接管理机制
• 滑动窗口机制
• 流量控制机制
• 拥塞控制机制
• 延迟应答机制
• 捎带应答机制

确认应答机制

TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为***
每一个ACK都带有对应的确认***，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据，下一步你该从哪里开始发送

超时重传机制

主机A发送数据给B之后, 可能因为网络拥堵等原因, 数据无法到达主机B;
如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发;
但是, 主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了;

因此主机B会收到很多重复数据. 那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包, 并且把重复的丢弃掉. 这时候我们可以利用前面提到的***, 就可以很容易做到去重的效果.

那么超时的时间该如何确定？？？

• 最理想的情况下, 找到一个最小的时间, 保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”.
• 但是这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的. * 如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率;
• 如果超时时间设的太短, 有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中(BSD Unix和Windows也是如此), 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 后再进行重传.
• 如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传. 依次类推, 以指数形式递增.
• 累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接.

连接管理机制

• 三次握手，四次挥手

滑动窗口机制

在确认应答机制中，对每发送的一个数据段，都要给一个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，性能较差，尤其当数据往返的时间较长时；既然这样一发一收的方式性能较低，那么我们依次发送多条数据，就可以大大提高性能（其实是将多个等待的时间重叠到一起了）

• 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000个字节(四个段).
• 发送前四个段的时候, 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; 依次类推;
• 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, 则网络的吞吐率就越高;

流量控制机制

接收端处理数据的速度是有限的,如果发送端发的太快,导致接收端的缓冲区满时,这个时候如果发送端继续发送数据,就会造成丢包,继而引起丢包重传等一系列连锁反应;
因此TCP支持根据接收端的处理能力,来决定发送端的发送速度-------流量控制机制

• 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端通知发送端;
• 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
• 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;
• 发送端接受到这个窗口之后, 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, 使接收端把窗口大小告诉发送端.
  

接收端怎样把窗口大小告诉发送端呢???

回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息; 那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么???
实际上, 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;

拥塞控制机制

虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍然可能引发问题.
因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据, 是很有可能引起雪上加霜的.
TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据;

• 此处引入一个概念程为拥塞窗口
• 发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1; 每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口加1;
• 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口;
  像上面这样的拥塞窗口增长速度, 是指数级别的. “慢启动” 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快.

延迟应答机制

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小.

• 假设接收端缓冲区为1M. 一次收到了500K的数据; 如果立刻应答, 返回的窗口就是500K;
• 但实际上可能处理端处理的速度很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
• 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来;
• 如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M;

一定要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;
那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;

• 数量限制: 每隔N个包就应答一次;
• 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
  具体的数量和超时时间, 依操作系统不同也有差异; 一般N取2, 超时时间取200ms;

捎带应答机制

在延迟应答的基础上, 我们发现, 很多情况下, 客户端服务器在应用层也是 “一发一收” 的. 意味着客户端给服务器说了 “How are you”, 服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”;
那么这个时候ACK就可以搭顺风车, 和服务器回应的 “Fine, thank you” 一起回给客户端