12 tcp协议详解

1、tcp的本性

tcp是一个悲观者，生下来就不信任网络，任务会发生丢包等，所以要从算法层面来保证可靠性。

2、TCP 包头格式

tcp的包头格式比UDP要复杂的多。
在这里插入图片描述

1.源端口号和目标端口号是不可少的，这一点和 UDP 是一样的。如果没有这两个端口号。数据就不知道应该发给哪个应用。
2.包的序号：是为了解决乱序的问题。不编好号怎么确认包到达的前后顺序。
3.确认序号：发出去的包需要ack,不然我也不知道有没有收到，如果没有收到，就应该重发，直到收到为止。
  //这个可以解决不丢包的问题
4.状态位：
  SYN:是发起一个连接
  ACK 是回复
  RST 是重新连接
  FIN 是结束连接
  //TCP 是面向连接的，因而双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态变更

注意：tcp虽然是靠谱的协议，但是网络环境不好的时候，对于IP层丢不丢包，它也没有办法，tcp唯一能做的就是不断地重试。

3、tcp的握手和技能

tcp如何保证对于连接的信任呢，为什么需要握手呢，这就好比人与人之间不会第一次见面就信任对方吧，怎么也得握手几次吧。
tcp做流量控制：通信双方各声明一个窗口，标识自己当前能够的处理能力，别发送的太快，也别发的太慢。
tcp拥塞控制：对于网络是否拥堵，tcp是无能为力的，唯一能做的就是控制自己，也即控制发送的速度。
tcp需要关注的点如下：

1.顺序问题 ，稳重不乱
2.丢包问题，承诺靠谱
3.连接维护，有始有终
4.流量控制，把握分寸
5.拥塞控制，知进知退

4、TCP 的三次握手

tcp连接的建立，又称3次握手，这是一个连接维护的问题，这样比较便于理解。
就是一个：“请求 -> 应答 -> 应答之应答”

A： 您好，我是A
B： 您好，我是B
A:  您好，B

为啥不是2次，4次？

1.假设网络环境不好，A发出了一个请求，包有可能会丢失或者请求超时了，于是A一直补发，直到B收到了请求，但是B收到的请求的时候，A可能不直到，所以A还会再发。
  如果B收到了请求：
    一是B不愿意建立练级，A会在一定时间后放弃
    二是B愿意建立连接，像A发送一个ack,但是B发出去的包也会像石沉大海一样，也不知道A有没有收到。
另外还有一种可能，就是之前A发送包出去绕了一圈回来了，B接收到了，同样认为这是一个正常的请求，于是给出了响应，这事听起来也是挺离谱的。
so,2次握手是不可靠的！

2. 为啥不是4次？
不是4次不行，400次都行，只是这样会没完没了，理由如下：
B发出的消息可能会发送多次，A只要收到一次，就认为连接建立了，自己的请求有了响应，A发送一个应答的应答。
而B也在等这个消息，才能确认连接是否建立，只有等到了这个消息，对于B来说，这个消息是有始有终的。
对于应答的应答，也有可能会丢，会绕路，甚至B都宕机了，是不是需要B再这个基础之上再应答，如此的话，就是没完没了了。

只要双方的消息都有去有回，就基本可以了

1.大部分情况下，A 和 B 建立了连接之后，A 会马上发送数据的，这个时候很多问题就得到了解决。
//例如 A 发给 B 的应答丢了，当 A 后续发送的数据到达的时候，B 可以认为这个连接已经建立，或者 B 压根就挂了，A 发送的数据，会报错，说 B 不可达，A 就知道 B 出事情了。
2.如果A 比较坏，就是不发数据，建立连接后空着。我们在程序设计的时候，可以要求开启keepalive 机制，即使没有真实的数据包，也有探活包。
3.我们作为服务的提供者来说，如果A一直不发包，则可以主动关闭这个连接

5、包的序号问题

三次握手除了双方建立连接外，主要还是为了沟通一件事情，就是TCP 包的序号的问题。
每个连接都要有不同的序号。这个序号的起始序号是随着时间变化的。
序号，可以看成一个 32 位的计数器，每 4ms 加一。
IP 包头里面有个 TTL，也即生存时间。

6、TCP 四次挥手

在这里插入图片描述

7、tcp是咋靠谱的？

1.tcp为了保证顺序性，每一个包都有一个 ID
2.在建立连接的时候，会商定起始的 ID 是什么，然后按照 ID 一个个发送。
3.为了保证不丢包，对于发送的包都要进行应答。

累计确认/累计应答：
应答也不是一个一个来的，而是会应答某个之前的 ID，表示都收到了，称为累计确认或者累计应答.

由上面可以猜到，这就必须得保存这些统计的结果。
为了记录所有发送的包和接收的包，TCP 也需要发送端和接收端分别都有缓存来保存这些记录。
发送端的缓存里是按照包的 ID 一个个排列(队列)，根据处理的情况分成四个部分，如下所示：

1.第一部分：发送了并且已经确认的
2.第二部分：发送了并且尚未确认的
3.没有发送，但是已经等待发送的
4.没有发送，并且暂时还不会发送的

为什么要区分第三部分和第四部分呢？
这就是之前提到的流量控制，如果对方的处理能力弱，就等等再发。

Advertised window：

在 TCP 里，接收端会给发送端报一个窗口的大小，称Advertised window
窗口的大小应该等于上面的 第二部分 + 第三部分
就是已经发送的正在处理的部分，再加上等待发送的部分已经是接收端处理的上线了，再多，就吃不下了。

发送端的数据结构：
依照服务端的要求，发送端的数据结构如下：
在这里插入图片描述 LastByteAcked：第一部分和第二部分的分界线
LastByteSent：第二部分和第三部分的分界线
LastByteAcked + AdvertisedWindow：第三部分和第四部分的分界线

对于接收端来讲，它的缓存里记录的内容相对简单
第一部分：接受并且确认过的
第二部分：还没接收，但是马上就能接收的，即当前最大的处理能力
第三部分：还没接收，也没法接收的，即超负荷了
在这里插入图片描述 MaxRcvBuffer：最大缓存的量
LastByteRead 之后是已经接收了，但是还没被应用层读取的
NextByteExpected 是第一部分和第二部分的分界线

第二部分的窗口有多大呢？

1.NextByteExpected 和 LastByteRead 的差其实是还没被应用层读取的部分占用掉的 MaxRcvBuffer 的量，我们定义为 A
2.AdvertisedWindow 其实是 MaxRcvBuffer 减去 A，也就是：AdvertisedWindow=MaxRcvBuffer-((NextByteExpected-1)-LastByteRead)
//那第二部分和第三部分的分界线在哪里呢？
1.NextByteExpected 加 AdvertisedWindow 就是第二部分和第三部分的分界线，其实也就是 LastByteRead 加上 MaxRcvBuffer.
2.第二部分里面，由于接收到的包可能不是顺序的，会出现空挡，只有和第一部分连续的，可以马上进行回复，中间空着的部分需要等待，哪怕后面的已经来了