网络运输层之(1)TCP协议基础

网络运输层之(1)TCP协议基础

Author: Once Day Date: 2024年9月12日

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全系列文章可参考专栏: 通信网络技术_Once-Day的博客-CSDN博客。

参考文章:

《TCP/IP详解卷一》
TCP协议详解 (史上最全)-CSDN博客
TCP协议详解 - 知乎 (zhihu.com)
计算机网络：这是一份非常全面&详细的TCP/IP协议学习指南-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)
计算机网络原理梳理丨清晰认识 TCP/IP 协议-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)

文章目录

网络运输层之(1)TCP协议基础
- - - 1. 概述
    - - 1.1 介绍
      - 1.2 服务模型
      - 1.3 RFC文档
    - 2. 报文协议
    - - 2.1 TCP报文格式
      - 2.2 TCP校验和
      - 2.2 三次握手
      - 2.3 四次挥手
      - 2.4 自动重传
      - 2.5 流量控制(滑动窗口)
      - 2.6 拥塞控制

1. 概述

1.1 介绍

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它是当今互联网中最广泛使用的传输协议之一，为各种网络应用程序提供了可靠的数据传输服务。

TCP协议在传输数据时，会将数据分成一个个的报文段（segment）进行传输。每个报文段都包含了源端口号、目的端口号、序列号、确认号、控制位等重要信息，以确保数据传输的可靠性和有序性。

TCP协议的发展历程可以追溯到20世纪70年代末，经过几十年的演变和完善，已经成为当今互联网中最重要的传输层协议之一。TCP协议的发展大致经历了以下几个阶段：

初始规范阶段（20世纪80年代）：TCP协议的原始规范RFC 793发布，奠定了TCP的基本功能和特性，如面向连接、可靠传输和全双工通信等。随后，RFC 1122对TCP规范进行了修订和完善。
性能优化阶段（20世纪90年代）：为了适应互联网的快速发展，TCP引入了多项性能优化措施，如RFC 1323中的窗口缩放、时间戳和PAWS算法，以及RFC 2018中的选择性确认（SACK）机制，用于提高TCP在高速、长距离网络中的性能和可靠性。
拥塞控制阶段（20世纪90年代末至21世纪初）：TCP拥塞控制算法的不断完善和成熟，从RFC 2581到RFC 5681，奠定了现代TCP拥塞控制的基础。同时，RFC 3168引入了显式拥塞通知（ECN）机制，允许网络向TCP反馈拥塞信息。
高性能扩展阶段（21世纪10年代）：为了进一步提高TCP在高速、长距离网络中的性能，RFC 7323对TCP的高性能扩展进行了更新，包括窗口缩放、时间戳和PAWS算法等。
现代TCP规范阶段（21世纪10年代至今）：RFC 8312作为当前最新的TCP规范文档，对TCP的各个方面进行了全面的描述和规范，是当前TCP协议的权威参考。

1.2 服务模型

TCP协议的主要特点如下：

面向连接：在数据传输之前，TCP通信的双方必须先建立连接，确保双方都准备好进行数据交换。
可靠性：TCP使用序列号、确认应答、重传等机制来确保数据的可靠传输，保证数据不会丢失、重复或乱序。
字节流：TCP将应用程序传输的数据视为一连串的字节流，不关心字节流的具体含义，只负责把数据从一端传送到另一端。
全双工：TCP支持全双工通信，即数据可以同时在两个方向上传输，双方都可以同时发送和接收数据。
流量控制：TCP通过滑动窗口机制实现流量控制，防止发送方发送数据的速度超过接收方接收数据的速度，避免网络拥塞。
拥塞控制：TCP采用拥塞控制算法，如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等，来适应网络拥塞状况，调整发送速率，提高网络利用率。

1.3 RFC文档

下面是TCP相关的RFC文档：

RFC 793 - Transmission Control Protocol (1981)，TCP协议的原始规范，定义了TCP的基本功能和报文格式。
RFC 1122 - Requirements for Internet Hosts - Communication Layers (1989)，对TCP的规范进行了修订和完善，提出了许多新的要求和建议。
RFC 1323 - TCP Extensions for High Performance (1992)，引入了窗口缩放、时间戳和PAWS算法，用于提高TCP在高速、长距离网络中的性能。
RFC 2018 - TCP Selective Acknowledgment Options (1996)，定义了TCP选择性确认（SACK）选项，用于改进TCP的丢包恢复能力。
RFC 2581 - TCP Congestion Control (1999)，对TCP拥塞控制算法进行了详细描述，包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等算法。
RFC 2883 - An Extension to the Selective Acknowledgement (SACK) Option for TCP (2000)，引入了D-SACK（Duplicate SACK），用于检测网络中的数据包重复现象。
RFC 3168 - The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP (2001)，定义了显式拥塞通知（ECN）机制，允许路由器向TCP发送方反馈网络拥塞信息。
RFC 3390 - Increasing TCP’s Initial Window (2002)，提出了增加TCP初始窗口大小的建议，以提高TCP在短流量传输中的性能。
RFC 3782 - The NewReno Modification to TCP’s Fast Recovery Algorithm (2004)，对TCP快速恢复算法进行了修改，提出了NewReno算法，改进了TCP的丢包恢复性能。
RFC 4138 - Forward RTO-Recovery (F-RTO): An Algorithm for Detecting Spurious Retransmission Timeouts with TCP and the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) (2005)，提出了F-RTO算法，用于检测和处理TCP中的虚假超时重传问题。
RFC 5681 - TCP Congestion Control (2009)，对TCP拥塞控制算法进行了修订和完善，融合了之前多个RFC文档中的内容。
RFC 6298 - Computing TCP’s Retransmission Timer (2011)，介绍了计算TCP重传计时器的算法和方法。
RFC 6582 - The NewReno Modification to TCP’s Fast Recovery Algorithm (2012)，对RFC 3782中的NewReno算法进行了更新和完善。
RFC 7323 - TCP Extensions for High Performance (2014)，对TCP的高性能扩展进行了更新，包括窗口缩放、时间戳和PAWS算法等。
RFC 7413 - TCP Fast Open (2014)，介绍了TCP快速打开（TFO）机制，用于减少TCP连接建立的延迟。
RFC 8312 - CUBIC for Fast Long-Distance Networks (2018)，介绍了CUBIC拥塞控制算法，适用于高速、长距离网络。

2. 报文协议

2.1 TCP报文格式

TCP报文(也称为TCP段，segment)是TCP协议通信过程中传输的数据单元，每个TCP报文都由报文头部和数据部分组成。

在这里插入图片描述

下面是各个字段的含义：

源端口（Source Port，16位）：表示发送TCP报文的源端口号。
目的端口（Destination Port，16位）：表示接收TCP报文的目的端口号。
序列号（Sequence Number，32位）：表示当前报文段中第一个字节的序号。TCP给每个字节都赋予了一个序列号，这是一个32位的无符号数字，到达 $2^{32}-1$ 后再循环到0，每个被交换的字节都已编号。
确认号（Acknowledgment Number，32位）：表示期望接收的下一个字节的序号，也就是当前已成功接收的字节序号加1。
数据偏移（Data Offset，4位）：表示TCP报文头部的长度，单位为4字节。
保留位（Reserved，4位）：保留字段，供将来使用。
控制位（Control Bits，8位）：包括CWR，ECE，URG、ACK、PSH、RST、SYN和FIN。
- CWR：拥塞窗口减少，用于发送方降低它的发送速率。
- ECE：ECN回显，发送方接收到了一个更早的拥塞通告。
- URG：紧急指针(Urgent Pointer)，较少使用。
- ACK：确认号(Acknowledgment Number)字段有效，连接建立之后一般都默认启用，也就是除了初始和末尾报文段之外的所有报文。
- PSH：接收方应尽快将数据传递给应用程序。
- RST：重置连接，经常因为错误取消连接。
- SYN：同步序号，用于初始化连接。
- FIN：发送方已经完成数据发送。
窗口大小（Window Size，16位）：表示接收方当前可接收的字节数，用于流量控制。这个字段最大值是65535，可以通过窗口缩放选项(Window Scale)对其进行缩放，从而提供更高的上限值。
校验和（Checksum，16位）：用于检验TCP报文头部和数据部分的完整性。
紧急指针（Urgent Pointer，16位）：当URG标志位置1时有效，指示紧急数据的末尾在报文段中的位置。
选项（Options，可变长度）：TCP头部的可选字段，用于实现一些特殊功能，如最大报文段长度（MSS）、窗口缩放因子、时间戳等。
填充（Padding，可变长度）：用于确保TCP头部长度为4字节的整数倍。

2.2 TCP校验和

TCP校验和是TCP报文头部中的一个重要字段，用于验证TCP报文在传输过程中是否出现了误码或损坏。

TCP伪头部是计算校验和时使用的一个虚拟头部，它包含了一些来自IP头部的信息。伪头部的格式如下：

在这里插入图片描述

校验和的计算方式如下(与IP、ICMP和UDP协议类似)：

将TCP伪头部、TCP头部和数据部分看作一个连续的字节流。
将字节流划分为16位(2字节)的字。
如果字节流的长度为奇数，在末尾添加一个全零字节，使字节流长度变为偶数。
将所有16位字相加，得到一个32位的和。
将32位的和的高16位与低16位相加，得到一个16位的和。
将16位的和取反，得到TCP校验和的值。

接收方在收到TCP报文后，会按照相同的方法计算校验和，并与报文中的校验和字段进行比较。如果两者相同，说明报文在传输过程中没有出现差错；如果不同，则说明报文在传输过程中出现了差错，需要进行重传或错误处理。

但这种校验和对于超大量数据来说，仍然是不够健壮，应用层仍然需要采取自定义的手段来保证应用层数据可靠性。

2.2 三次握手

TCP是一种面向连接的可靠传输协议，在通信双方进行数据传输之前，需要先建立连接。TCP使用三次握手（Three-Way Handshake）的方式来建立连接，下面是示意图：

在这里插入图片描述

(1) 第一次握手（SYN），客户端向服务器发送一个SYN（同步）报文：

设置SYN标志位为1，表示这是一个连接请求报文。
随机生成一个初始序列号（ISN，Initial Sequence Number），例如ISN=X。
可选地携带其他参数，如最大报文段长度（MSS）等。

(2) 第二次握手（SYN+ACK），服务器收到客户端的SYN报文后，如果同意建立连接，则返回一个SYN+ACK报文：

设置SYN标志位为1，ACK标志位为1，表示这是一个连接接受报文。
服务器也随机生成一个初始序列号，例如ISN=Y。
确认号（Acknowledgment Number）设置为客户端的ISN加1，即Ack=X+1。
可选地携带其他参数。

(3) 第三次握手（ACK），客户端收到服务器的SYN+ACK报文后，向服务器发送一个ACK报文：

设置ACK标志位为1，表示这是一个确认报文。
序列号（Sequence Number）设置为客户端的ISN加1，即Seq=X+1。
确认号设置为服务器的ISN加1，即Ack=Y+1。
可选地携带其他参数或数据。

2.3 四次挥手

当客户端或服务器任一方需要关闭TCP连接时，就会启动连接释放的过程。TCP使用四次挥手（Four-Way Handshake）的方式来释放连接，下面是示意图：

在这里插入图片描述

(1) 第一次挥手（FIN），假设客户端先发起连接释放，客户端向服务器发送一个FIN（终止）报文：

设置FIN标志位为1，表示这是一个连接释放请求报文。
序列号（Sequence Number）设置为当前的序列号，例如Seq=X。

(2) 第二次挥手（ACK），服务器收到客户端的FIN报文后，向客户端发送一个ACK报文：

设置ACK标志位为1，表示这是一个确认报文。
确认号（Acknowledgment Number）设置为客户端的序列号加1，即Ack=X+1。

(3) 第三次挥手（FIN），服务器完成数据发送后，也向客户端发送一个FIN报文：

设置FIN标志位为1，表示这是一个连接释放请求报文。
序列号设置为当前的序列号，例如Seq=Y。

(4) 第四次挥手（ACK），客户端收到服务器的FIN报文后，向服务器发送一个ACK报文：

设置ACK标志位为1，表示这是一个确认报文。
确认号设置为服务器的序列号加1，即Ack=Y+1。

注意，客户端在进入CLOSED状态之前，需要经过TIME_WAIT状态，并等待2MSL的时间。这样做的目的是确保网络中所有的报文都已经被接收或丢弃，防止新连接误接收旧连接的报文。

2.4 自动重传

在数据通信中，由于各种原因（如信道噪声、网络拥塞等），数据报文在传输过程中可能会出现丢失、损坏或重复等问题。为了确保数据的可靠传输，通信双方通常使用自动重复请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）机制和自动重传功能。

自动重复请求是一种在通信双方之间实现可靠数据传输的方法，它要求接收方在收到数据后向发送方发送确认(ACK)，如果发送方在一定时间内未收到确认，则认为数据丢失并重新发送。ARQ主要有以下三种方式：

停止等待ARQ(Stop-and-Wait ARQ)：发送方每发送一个数据包就停止发送，等待接收方的确认，收到确认后再发送下一个数据包。
回退N帧ARQ（Go-Back-N ARQ)：发送方可以连续发送多个数据包，如果接收方发现有数据包丢失，则要求发送方重传丢失的数据包及其后的所有数据包。
选择重传ARQ(Selective Repeat ARQ)：发送方可以连续发送多个数据包，如果接收方发现有数据包丢失，则只要求发送方重传丢失的数据包，而不影响其他正确接收的数据包。

TCP采用了一种基于选择重传ARQ的自动重传机制，以确保数据的可靠传输：

超时重传（Timeout Retransmission）：当发送方发送了一个数据包后，会启动一个计时器。如果在计时器超时之前没有收到接收方的确认，发送方就会重新发送这个数据包。
快速重传（Fast Retransmission）：当接收方收到一个失序的数据包时，会立即发送一个重复的ACK（即使还没有收到期望的数据包）。当发送方收到三个或更多个重复的ACK时，会立即重传对应的数据包，而不等待计时器超时。
选择确认（Selective Acknowledgment，SACK）：SACK是TCP的一个可选扩展，它允许接收方在ACK中指明已经成功接收的数据包的范围，这样发送方就可以只重传丢失的数据包，提高了重传的效率。
重传超时时间（Retransmission Timeout，RTO）的计算：TCP根据网络的往返时间（Round-Trip Time，RTT）和RTT的变化情况，动态地计算重传超时时间，以适应网络状况的变化。

2.5 流量控制(滑动窗口)

在TCP通信中，滑动窗口（Sliding Window）是一种用于实现流量控制的机制。它允许发送方根据接收方的接收能力动态调整发送数据的速率，以避免接收方的缓冲区溢出或网络拥塞。

滑动窗口是指在任意时刻，发送方可以发送的数据范围。这个范围由两个指针界定：发送窗口的左边界和右边界。左边界表示已经发送并得到确认的数据的最大序号，右边界表示可以发送的数据的最大序号。

窗口的大小由接收方通告的窗口大小（rwnd，Receiver Window）决定。发送方的发送窗口不能超过rwnd，以防止发送过多的数据导致接收方的缓冲区溢出。

随着数据的发送和确认，滑动窗口会不断向右移动，允许发送方发送新的数据。这就是"滑动窗口"的由来。

TCP使用滑动窗口实现了流量控制，具体过程如下：

接收方在ACK报文中通告自己的接收窗口大小（rwnd），表示自己当前可以接收的数据量。
发送方根据接收方通告的rwnd和自己的拥塞窗口（cwnd，Congestion Window）计算发送窗口的大小，取两者的最小值：
```
send_window = min(rwnd, cwnd)
```
发送方只能在发送窗口允许的范围内发送数据，即已发送但未确认的数据量不能超过发送窗口的大小。
当接收方处理了一部分数据后，其接收缓冲区空出了空间，就会通过ACK报文通告更大的rwnd，允许发送方发送更多的数据。
如果接收方的接收缓冲区满了，会通告一个零的rwnd，发送方就必须停止发送数据，直到接收方再次通告非零的rwnd。

TCP的滑动窗口机制可以动态调整发送速率，使其与接收方的接收能力相匹配，从而实现了流量控制。

2.6 拥塞控制

除了流量控制，TCP还具有拥塞控制（Congestion Control）的功能，用于防止网络拥塞和崩溃。拥塞控制允许TCP在网络拥塞时调整发送速率，以避免进一步加剧拥塞，并在网络恢复后逐步增加发送速率。

TCP使用拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）来控制发送速率。拥塞窗口表示在任意时刻，发送方可以发送的未确认数据的最大量。与接收方通告的接收窗口（rwnd）不同，拥塞窗口是发送方根据网络拥塞状况自行调整的。

发送窗口的大小由拥塞窗口和接收窗口共同决定：

send_window = min(cwnd, rwnd)

TCP采用了慢启动（Slow Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）两种算法来调整拥塞窗口的大小：

慢启动：当连接建立时，cwnd初始化为一个小值（通常为1个MSS，最大段大小）。每收到一个ACK，cwnd就增加1个MSS，这导致cwnd以指数方式增长。当cwnd达到慢启动阈值（ssthresh）时，进入拥塞避免阶段。
拥塞避免：在拥塞避免阶段，每收到一个ACK，cwnd增加1/cwnd个MSS。这导致cwnd以线性方式缓慢增长，直到出现拥塞事件（如超时或收到重复ACK）。
快速重传和快速恢复：当收到三个或更多重复ACK时，TCP执行快速重传，立即重传丢失的数据包。同时，执行快速恢复，将ssthresh设置为当前cwnd的一半，并将cwnd设置为ssthresh加上3个MSS，然后进入拥塞避免阶段。
超时：如果发生超时，TCP将ssthresh设置为当前cwnd的一半，将cwnd重置为1个MSS，然后重新进入慢启动阶段。

通过这些算法，TCP可以在网络拥塞时迅速降低发送速率，在网络恢复后逐步提高发送速率，从而实现了拥塞控制。

除了上述基本的拥塞控制算法，TCP还有一些其他的拥塞控制算法，如：