传输层—TCP核心机制
文章目录
- 传输层—TCP核心机制
- TCP
- 1.1 确认应答机制 (可靠传输机制)
- 1.2 超时重传机制 (可靠传输机制)
- 1.3 连接管理机制 (可靠传输机制)
- 1.3.1 三次握手（建立连接）
- 1.3.2 四次握手（断开连接）
- 1.4 滑动窗口 (提高效率)
- 1.5 流量控制 (可靠传输机制)
- 1.6 拥塞控制 (可靠性传输)
- 1.7 延迟应答 (提高效率)
- 1.8 捎带应答 (提高效率)
- 1.9 面向字节流
- 2.0 TCP 异常情况
TCP
简单给大家介绍一下 TCP 的核心特性，以及报头结构。
TCP 特点：可靠传输，有连接，面向字节流，全双工。（后三个特性，我们在网络编程代码中完全可以感知到）
对于可靠传输来说，是内核实现的，写代码的时候，是感知不到的。（感知成本低，其使用成本也就降低了）
先面我们来仔细讲解一下可靠传输的核心机制是什么？？？
1.1 确认应答机制 (可靠传输机制)
确认应答，这是保证“可靠性”最核心的机制，确认应答是用来解决什么的呢？？
我们先来观察下面这个问题。
当连续发多条数据的时候，这多条数据，可能会出现"后发先至"。
后发先至：一个数据报，是先发的另一个是后发的，后发的反而先到了。导致出现问题。
分析“后发先至”原因：网络上从A->B中间的路径有很多，从A->B走的路线不一定相同！！另外，每个节点(路由器/交换机)繁忙程度不一样。此时，这样的转发过程，就也会存在差异，就和等红灯一样。信息抵达的顺序存在差异。
如何解决问题：针对数据进行编号。
解决“后发先至”问题的根本->确认应答机制。
想要给数据加上编号，该怎么加呢？？
由于 TCP 是面向字节流的，所以在传输数据时是针对字节进行编号的，而不是按照"条"为单位来传输。
当主机A 给主机B 发送消息时，A发送过去的数据为1000个字节，按照字节编号，最后一个字节的编号为1000。当主机B收到 A 发过来的数据后，要做出响应，返回一个确认收到的序号(简称 确认序号) 1001，含义就是：1001编号之前的数据我已经收到了，下一次从1001开始发数据。
应答含义：1001 序号之前的数据，我这面都收到了。接下来你应该从 1001 开始发。
在 tcp 报头中，只要知道这一串字节的开始编号，以及数据的长度，就能确定每一个字节的编号。TCP 数据流中的每个字节的编号存储在32位序号中。
确认应答信息：期望收到的下一个数据段的序号，也就是收到的最后一个字节的编号再加一，存在32位确认序号中。
当另一个主机发给我们一个 TCP 报文，该如何判断当前这个报文是普通报文，还是一个确认响应报文？？
- 标志位 ACK 为 0 表示这是一个普通的报文。此时只有32位序号，是有效的。
- 标志位 ACK 为 1 表示这是一个应答报文。此时报文的序号和确认序号都是有效的。
- acknowledge 为应答之意，通常也会使用 ack这个词，来代指应答报文。
这里的应答报文序号和普通报文序号，之间没有关联关系，都是各自论各自的。
序号，只是你自己这个主机，发送的数据进行的编号。
注：主机 A 和主机 B 之间，每发送一个数据，均是一段 TCP 协议格式，里面包含端口号、序号、确认序号、标志位等……
1.2 超时重传机制 (可靠传输机制)
丢包。在网络上很可能出现，发一个数据，然后丢了。
为什么会发生丢包？？
网络通信之间，是由一些 路由器/交换机 组成的，这些 路由器/交换机 就相当于一个“交通枢纽”。结构复杂，传输的数据量也是不确定。这一会传输的数据比较少，但过一会数据就很多了。如果设备太繁忙了，后面新来的数据等太久了就可能被丢弃了。网络负载越高，越繁忙，就越容易丢包。
发生丢包该如何做？？
我给女神发短信，短信发丢了。我是收不到应答的。如果我收不到应答，我就会去尝试重新发送，这在某种意义上来说就是重传。
超时重传，相当于针对确认应答，进行的重要补充。
丢包的发生，有两种情况：
-
发的消息本身，丢包了
-
应答报文丢包了
发送方无法区分是哪种情况！！既然无法区分，就都重传（发送方，答应方都重发）！！
同样的消息发送两次，这里我们考虑到对数据进行去重。当再次发送时，接受方收到数据后，需要对数据进行去重，保证应用程序，调用 inputStream.read 时，读到的数据不会出现重复。
如何去重呢？？如何高效的判定当前收到的数据，是否是重复的呢?
直接使用 tcp 的序号来作为判定依据。TCP 会在内核中，给每个 socket 对象都安排一个内存空间，相当于一个队列，也称“接受缓冲区”。收到的数据，都会被放到接受缓冲区里，并按照序号排列好顺序。此时，就可以很容易的判断出接受到的数据是否重复了。
注：A 主机给 B 主机发送数据，该数据的编号会被放在接受缓冲区中。开始 read，B 主机返回响应，此时当 A 接受到响应数据时，缓冲区响应的编号才会被删除（这里是否被删除可以自定义的），否则会被一直储存。
这里的超时重传，为啥重传一下，数据就能过去？？
丢包本质上是一个概率性的问题，假设丢包的概率为 10%，传输成功的概率为 90%。连续传输两次的概率为 1%。随着你重传次数的增加，总体能够传输成功的概率，是更大的。
“超时”重传，超过多长时间再重传呢？？
超时时间不是一个固定的值，会随着超时轮次的增加，而进一步增加。
随着重传轮次的增加，等待时间也会越来越长。正常情况，第二次重传就有极大的概率，重传成功。再不济，第三次重传，更大的概率能成功。
要是这几次都没成功，说明当前网络本身的丢包概率已经极高了。网络怕是遇到了一些比较严重的故障。此时，进行频繁的重传，就是白费力气！！
结论：超时重传的轮次，也不是无限的。重传次数达到一定程度，也就放弃了。此时就会触发 复位报文 (RST字段为1)，尝试重新连接。如果重置仍然失败，此时发送方就会进行单方面释放连接了。
1.3 连接管理机制 (可靠传输机制)
最核心的就是两个部分：
- 建立连接（三次握手）
- 断开连接（四次握手）
为什么叫做 三次/四次“握手”呢，握手有什么含义？？
因为实质上，在建立连接和断开连接的过程中，其传输的数据并不会带有一些实际意义上的数据，只是用来打招呼的数据。因此把 建立连接/断开连接 称之为 N次握手。
1.3.1 三次握手（建立连接）
握手：handshake，一定是客户端主动发起的。
A 和 B 完成建立连接的过程，就需要“三次”这样的打招呼的数据交互。
上图中主机之间的连接需要四次交互，交互完毕之后，连接就算建立好了。此时双方就已经保存了对端的信息了。
那为什么说是三次握手呢？？
看起来是四次握手，其实中间这两次，能够合并成为一次！
为啥合并？？
封装和分用。合并之后，节省了封装和分用的过程。降低了成本，提高了效率。原则上来说，能合并就合并。
TCP三次握手是怎样的过程呢？？
这里又要提到标志位了，其中 SYN 是申请建立连接的请求“同步报文段”，如果 SYN=1，就是“同步报文段”，意思是一台主机就要尝试和另一台建立连接。ACK 上文说过是应答报文。
三次握手的 意义/初心 到底是什么呢？？
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投石问路，保障网络通信的通畅，以及检验每个主机的发送能力和接收能力是否正常。
例子：两个游戏玩家 A 和 B 尝试连麦。
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“消息协商”，协商必要的参数，使客户端和服务器使用相同的参数进行消息传输。
TCP通信过程中，有很多信息是需要进行协商的。比如双方的序号从几开始 (一般不会从 0/1开始)
序列号是TCP协议中用来标识每个数据段的一个值，通过协商初始序列号，可以保证数据的可靠传输。
网络上传输的消息，可能后发先至(先发后至)极端情况下，某个消息，迟到了，迟到了很久~~
当消息到达对端的时候，服务器和客户端已经断开了上一个连接，这是重新建立的连接了这个时候，就可以通过序号，明显的识别出这个是上一个连接的消息，就可以丢弃了。
1.3.2 四次握手（断开连接）
四次挥手的流程，和三次握手，十分相似。四次握手不一定是客户端还是服务器主动发起的，都有可能，大多还是客户端主动发起的。
断开连接：在已连接，通信的双方，各自在内存中保存对端的相关信息。如果不需要了，就得及时的释放上述存储空间。
四次握手通信示意图：
问题一：四次握手，能不能合并成三次呢？？
四次挥手有的时候确实是可以三次完成的，但是有的时候不行。中间这两次，不一定能合并。
FIN的触发，是应用程序代码，来控制的。调用 socket.close()，或者进程结束，就会触发FIN 。
相比之下，ACK则是内核控制的。收到 FIN就会立即马上返回ACK。
万一服务器还需要做很多其他的收尾工作，close执行的时机就会很慢。
close 触发的快，有可能和上一个 ack 合并的。如果 close 触发的慢，此时就无法和上一个 ack合并了。
问题二：如果服务器，始终不进行 close，会咋样？客户端的连接就始终不关闭嘛？
此时，服务器的TCP状态，就处于 CLOSE_WAIT 状态。
站在服务器的角度，虽然这里的连接没有关闭，但是这个连接其实已经不能正常使用了。
针对当前 socket 进行读操作，如果数据还没有读完（缓冲区还有数据），是能正常读到的。如果数据已经读完了，此时读到的就是 EOF（对于字节流来说，返回-1。如果是 scanner，hasNext 就会是 false）
针对当前 socket 进行写操作，直接就会触发异常。
如果极端情况下，服务代码出 BUG了，忘记写close()了。站在客户端角度，迟迟收不到对方的 FIN 请求，也会进行等待。如一直都等不到，此时就会 宣布单方面放弃连接（客户端直接把自己保存的对端的信息就删掉/释放了）。
问题三：如果通信中出现丢包了，该如何处理？？
这也是涉及到超时重传的，三次握手/四次握手 也都是带有超时重传机制的。尽可能重传，如果重传仍然失败，连续多次，此时仍然会单方面释放连接。
如下图，站在A的角度，当收到这个 FIN 之后，并且发出去 ACK了此时 A 就视为四次挥手已经结束了。此时 A 就可以直接释放连接了嘛？？还不可以！！
因为最后一个 ACK 还可能丢包，如果最后一个ACK丢失，B就会重新传过来一个FIN。此时如果 A 已经把连接释放了，重传的 FIN 就无人能够进行 ACK 了。
因此，就需要让 A 在发出去最后一个 ACK 之后，让连接再等一会。（主要就是看等的过程中会不会收到对方重传的 FIN）如果等了一定时间之后，对方还没有重传 FIN，就认为 ACK 已经被对方收到了。此时 A 才能正确释放连接。
那这里到底需要等待多长时间才能释放呢？等待时间就是 ：网络上任意两点之间传输数据的最大时间 * 2，把这个时间定义为 MSL.
还有极端情况。比如， A在等 2MSL 时间的过程中，B在反复重传FIN多次，这些FIN都丢了。(理论上存在)如果真出现这个情况当前网络一定是出现严重故障了。这个时候，是不具备“可靠传输”前提条件的。因此，A就单方面释放资源，也无所谓了。
1.4 滑动窗口 (提高效率)
滑动窗口可以提高 TCP 传输效率.（更准确来说，是让 TCP 在可靠性传输下，效率不会太拉胯）
滑动窗口，不能使 TCP 传输效率比 UDP 快，但是可以缩小差距。
滑动窗口相比于传统的确认应答有什么不同？？
正常的确认应答是可以保障传输可靠性的，但是大量的时间，都消耗在等 ACK 上了。
因此使用滑动窗口，就是为了缩短上述等待时间，进行批量发送。
滑动窗口的原理是什么？？
一次性发出一组数据，发这一组数据的过程中，不需要等待 ACK 就可以直接往前发。
此时，就相当于使用“一份等待时间”等四个 ACK。
窗口越大，此时批量发送的数据就越多，效率就越高。但是窗口不能无限大。如果是无限大，相当于完全不必等 ack，此时就和不可靠传输差不多了。
操作系统内核为了维护这个滑动窗口，就需要开辟一个发送缓冲区，来记录当前还有那些数据没有应答；只有应答过的数据，才能从缓冲区中删掉。
A给B发送一组数据，当B返回一个ACK，A则继续发送一个数据，使发送缓冲区的窗口大小始终不变。
滑动窗口，是一个"形象的比喻"，实际上本质就是批量发送数据。这样就可以缩短等待时间，比之前能提升一定的效率(缩短不是没有，仍然需要花时间等待，传输效率仍然不会比 UDP 更高)
在保障可靠性传输的情况下，批量传输中，出现丢包怎么办？？
丢包分为两种情况：
-
ACK 丢了
ACK 如果丢失了，不用做任何的处理，也是正确的！！除非是所有的 ACK 都丢失了（网络出现重大故障），否则只是出现一部分 ACK 的丢失，对于可靠性传输没有任何影响。
-
数据报丢了
此时，就相当于是使用最小的成本，来完成了这个重传数据的操作。(只是把丢的数据重传了，其他的数据都没有重复操作)，这种方法就叫做：快速重传。
滑动窗口总结：滑动窗口也不是说，只用 TCP 就一定涉及。如果通信双方大规模传输数据，肯定就是滑动窗口。如果通信双方传输数据规模较小，这个时候就不会用到滑动窗口了（仍是之前提到的超时重传）
1.5 流量控制 (可靠传输机制)
滑动窗口越大，其传输效率越高。但是凡事都有个极限，因此窗口也不能无限大。如果窗口太大了，就会导致接收方接收不过来。或者是传输的中间链路出现处理不过来的情况。这样就会出现丢包，就得重传了。因此我们知道，窗口过大并没有提高效率，反而还影响了效率。
流量控制，就是根据接收方的处理能力，来限制发送方的发送速度（窗口大小）
如何衡量接收方的处理速度？？
使用接收缓冲区剩余空间大小来作为衡量指标。
如果剩余空间越大，应用程序消费数据的速度就越快。
接收缓冲区的大小如何反馈给发送方？？
此处，就会直接把接收缓冲区的剩余空间大小，通过 ack 报文反馈给发送方，作为发送方下一次发送数据，窗口大小参考依据。
1.6 拥塞控制 (可靠性传输)
拥塞控制是一种网络流量管理机制，用于确保在网络中的数据传输过程中不会发生拥塞。当网络中的流量过大，超过了网络的容量时，就会发生拥塞，导致数据传输的延迟增加、丢包率增加等问题。拥塞控制的目标是通过调整数据发送速率，使得网络中的流量保持在一个可控的范围内，从而避免拥塞的发生。
如果中间某个环节 (路由器/交换机)，转发能力特别差，此时A的发送速度就不应该超过这里的阈值。
对于我们程序猿来说，如何去衡量中间设备的转发能力呢？？
此处，并不会针对中间设备的转发能力进行一个量化，而是把中间设备看成一个整体，采取“实验”的方式，来动态调整，产生一个合适的窗口大小。
- 使用一个较小的窗口传输。如果传输通畅，就调大窗口。
- 使用一个较大的窗口传输。如果传输丢包 (出现拥堵)，就调小窗口。
拥塞窗口：在拥塞控制机制下，采用的窗口大小。
TCP 中，拥塞控制具体是这样展开的：
-
慢启动：刚开始进行通信的时候，会使用一个非常小的窗口，先试试水。
这里采用小窗口的原因：如果网络本来就拥堵，一上来又搞了一个很大的流量过来，就使本来不富裕的网络带宽，雪上加霜了。
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指数增长：在传输通畅的过程中，拥塞窗口就会指数增长 (*n)。
指数增长速度是非常快的，不能不加限制，否则就会出现非常大的值。
-
线性增长：指数增长当拥塞窗口达到一个阈值之后，就会从指数增长，转换成线性增长 (+n)。
线性增长较指数增长慢了些，但也是增长，会使发送速度，越来越快。快到一定程度，接近网络传输的极限，就可能出现丢包了。
-
拥塞窗口回归小窗口：当窗口大小增长过程中，如果传输出现大量丢包，就认为当前网络出现拥堵了。此时就会把大窗口调整成最初的小窗口，继续回到之前的 指数增长 + 线性增长 的过程了。
此处也会根据当前出现丢包的窗口大小，调整阈值（指数增长->线性增长）
这个图片很形象的表述了，拥塞窗口在传输中的变化。
在实际发送的时候，不仅仅看拥塞窗口，还有流量控制窗口。实际发送方的窗口= min (拥塞窗口，流量控制窗口)
因此实际发送方窗口，不光要考虑接收方的处理能力，更要考虑中间节点的处理能力。
1.7 延迟应答 (提高效率)
是提高传输效率的机制，围绕滑动窗口琢磨的。是否有办法，在条件允许的基础上，尽可能的提高窗口大小呢？？
只需要在返回 ack 时，拖延一点时间。利用拖延的时间，就可以给应用程序留出更多的消费数据的时间。因此接收缓冲区的剩余空间就更大了。
此处，到底通过延时应答，能提高多少速度，还是取决于接收方应用程序的实际的处理能力。（机会给你了，能不能把握，这个就是另当别论了!!!）
那么所有的包都可以延时应答嘛？？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。
1.8 捎带应答 (提高效率)
在延时应答的基础上，引入第一个进一步提高效率的方式。
- 延时应答，是让 ack 传输的时机更慢。
- 捎带应答，基于延时应答，让数据进行合并。
客户端和服务器之间的交互，主要是一问一答的形式。
1.9 面向字节流
在实现 TCP回显服务器 的时候，我们已经非常深刻的体会到了，什么是面向字节流。
在面向字节流的情况下，还会产生一些其他问题———粘包问题。
什么是粘包问题？？
这里粘包，粘的是应用层数据报。通过 TCP read/write 的数据，都是 TCP 报文的载荷，也就是应用层数据。
发送方一次性是可以发送多个应用层数据报的。但是接收的时候，如何区分，从哪里到哪里是一个完整的应用数据报？？如果没设计好，接收方就很难区分，甚至会产生bug !!
如何解决粘包问题？？
这个问题的正确处理方法，是合理的设计应用层协议。这件事在传输层本身已经无解了。
站在应用层角度的解决方式：
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协议中引入分隔符，用来区分包之间的边界。
使用 \n 来约定包之间的分隔符.
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协议中引入包长度，也能来区分包之间的边界。
使用开头两字节来表示包的长度.
粘包问题，不仅仅是tcp 才有的。只要是面向字节流的机制(文件)也有同样的问题。解决方案也都是一样。要么使用分隔符，要么使用长度。
尤其是在自定义应用层协议的时候，就可以使用这样的思想来解决问题了。
相比之下，前面介绍过的xml/json 都是通过分隔符来区分包的。protobuffer 则是通过长度来区分的。
2.0 TCP 异常情况
网络本身就会存在一些变数。导致 tcp 连接不能继续正常工作了。
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进程崩溃
进程崩溃了-> PCB就没了-> 文件描述符表也就被释放了->相当于调用 socket.close()-> 崩溃的一方就会发出 FIN，进一步的触发四次挥手，此时连接也就正常释放了。和 TCP 正常处理断开连接没啥区别。
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主机关机（正常关机的步骤）
正常关机，就会先结束所有进程（强制终止进程）。因此就和刚才说的进程崩溃的处理是一样的。主机关机会有一定时间，在这段时间内，四次挥手是能挥完的。如果没挥完，也没事，如下图：
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主机掉电/网线断开
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此时主机 B 正在给 A 发消息
此时，A直接掉电了，就不会给B返回ACK。因此，B就会触发超时重传，如果重传失败，就会触发 复位报文（RST 字段为1，尝试重新连接）.若果重置操作仍失败，此时B就会进行单方面释放连接了。
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此时 A 正在给 B 发消息
B 正在等待 A 的消息。A突然不发消息了。B也不知道 A 是等会就能发了，还是说就一直不发了。因此 B 就会进行阻塞等待，具体等多久不知道，再次期间 B 会给 A 发送心跳包，以确认 A 是否还能正常工作，如果不能返回 ACK，则说明 A 是挂了。
此处就涉及到"心跳包"，B这边虽然是接收方，也会周期性的给对方发起一个不携带任何业务数据(载荷) tcp数据报。发起这个包的目的，就是为了触发 ack。就是确认一下 A 是否正常工作/确认网络是否畅通。（心跳包和咱们前面说"流量控制"窗口探测报文，是一个东西）
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