回首网络知识之 TCP 协议

2022-09-01 14:12:06 浏览数 (1)

之前我们说了 UDP 协议，也说到了 UDP 协议和 TCP 协议的对比，知道了 TCP 协议有那么一些复杂，所以这次就来仔细说说这个复杂的 TCP

前言

提到 TCP 你第一想到的应该就是两个字 “靠谱”~ 因为它的所有设计都是围绕着这个任务展开的。

报文格式

很多人一看到这个就头疼了，因为格式好复杂啊，和 UDP 对比起来，怎么多了那么多东西呢？

别急，其实并不是很多，而且只要你想着为什么，你就知道会有什么。

  • 首先是两个端口，这个和 UDP 一样，肯定需要端口，不然的话不知道是发给谁的
  • 然后是序号和确认序号，序号是为了解决乱序的问题，如果没有序号，那么我是不知道那个先那个后，同时我还要告诉对方我收到了这个序号的信息，所以需要一个确认序号，确认的方式是告诉你我要的下一个序号是多少
  • 首部长度也很好理解，告诉你首部有多长，你就知道前面有多长，你才知道数据从哪里开始
  • 中间那几个标识位需要知道的是：
    • SYN：建立连接时用的，建立连接会标识为 1
    • ACK：回复你建立连接，建立连接之后标识为 1
    • RST：重新连接
    • FIN：结束连接
  • 窗口大小，接收方告诉发送方别发太快了或者太慢了，用于流量控制

三次握手

过程

这个问题已经在面试的时候被问烂了，总是有面试官喜欢问网络，而作为第一个开头炮，三次握手总是被提及。

中间的标识位，可能就有人从来就没弄懂，可能即使懂了，也是靠死记硬背的，不复习肯定忘记。

其实没有那么玄乎啦。分两个部分来看：

  1. 大写的 SYN 和 ACK 其实上面都已经说了，就是建立连接的时候，第一个给你的报文里面 SYN 标识位为 1 告诉你开始建立连接了，否则你怎么知道这次是建立连接呢？而 ACK 就是告诉你我收到了，可以建立连接了
  2. 而小写的 seq 和 ack 就更简单了，他们表示的就是上面说的序号，确认号 ack 为收到的 seq 序号 1

需要注意的是，序号每次都是不一样的，它是一个 32 位的每 4ms 递增的一个值，为什么这样设计呢？是因为如果每次序号都从 1 开始，那么势必在多次发送或者重连之后导致序号重复，误以为收到的新的数据，其实是旧数据，只不过序号相同。

为什么要三次

等你描述的不清不楚的时候，面试官下一个问题就来了，为什么要做三次握手呢？

其实这个问题也不复杂，你时刻要记住网络其实很不稳定的，不是两根网线连接两边就好了，中间可能隔了一个太平洋。所以丢包太常见了。

而作为可靠的 TCP，三次握手能保证每个人都能有至少一次正反馈，对于发送方来说肯定有一问一答，对于接收方来说也有一问一答，否则都属于发了没反馈。

还有一个重要原因就是重试，如果由于网络原因，第一次建立连接迟迟收不到反馈，就会发第二个，而对于接收方来说，很有可能就会收到多个一模一样的建立连接的请求，如果只是一次或者两次，那么 就会建立很多无用的连接 占用资源。

四次挥手

过程

其实当你把三次握手想清楚了，四次挥手也就不足为奇。对于四次挥手来说，其实就是从 SYN 表示位改到了 FIN 标识位，对于数据的序号还是一样的规则。只不过确实有几个要点需要注意。

  • B 收到 FIN=1 的时候，此时 TCP 属于并关闭状态了，但是很有可能 B 还有数据需要发送，但是 A 收不收就是 A 自己决定了。
  • A 收到 FIN=1 回复了之后，还有一个 2MSL（最大报文存活时间）的 TIME-WAIT 状态

为什么要四次

其实和建立连接时的原因一样：每个人都收到了一问一答，而建立连接时还没有正在发送的数据，所以中间那次可以复用，所以就三次了，而断开连接显然是一方主动发起的，而另一方是毫无准备的，就如同你关闭显示器，服务器是毫无准备的。

还有原因就是如果 A 告诉 B 之后直接走了，不管了，那么 B 就懵逼了，这个时候可能 B 还在发数据，B 就算发起结束，也没人回应了，B 就只能傻等着；如果 A 告诉 B，B 不管了，那么也有问题了，A 不知道 B 收到没有，B 如果没收到 A 还要继续发…

为什么需要 TIME-WAIT

这也是一个很奇怪的问题，明明都已经断开连接了，一直保持这个状态等着干啥？

  • 原因 1：如果这个时候不等了，直接断开连接，那最后一个挥手可能就到不了了
  • 原因 2：如果等的时间短，直接关闭，因为关闭了，那么就可以和别人建立新的连接，那么很有可能还在网络上的老数据会跑到新的连接里面捣乱了

为了可靠你究竟做了什么

TCP 为了做一个可靠的人，付出了很多你看不见的努力

重传

  1. 如果一个发送的报文在超时时间内没有收到确认，那么就会重新发送，超时时间并不是固定的，因为网络的环境不同，所以利用了一个 自适应重传算法，会根据当前的往返时间进行加权平均进行计算。
  2. 当然这样还是不够的，因为触发的周期还是太长，于是还有一个机制叫 快速重传，当接收方收到序号 5，但是现在还是要序号 3 的时候，那么会发送几个冗余的请求来要中间丢的报文。

滑动窗口

窗口在很多网络协议中都有被设计来控制流量，我们知道如果发的太猛不管客户端死活，或者发的太慢，让客户端饿死都是不好的。所以窗口的存在，就是维持一个返回，让你知道后面该不该往下发了，只有一家发送并得到一个确认，窗口才会移动或改变大小。

最重要的是，当窗口被设置为 0 时，则发送端就不能再发送数据了。

拥塞控制

流量控制是为了控制客户端和服务端的处理和发送速度，不至于压垮对方。而拥塞控制则是避免去压垮网络。说白了，可能你客户端处理能力很强，一收到处理，你怎么发都可以，但是网络带宽不允许你这么干。

这个图是不是很熟悉？没错，只要你大学里面学过计算机网络，这个图太经典了，可能当时你都不理解它为什么要这么设计，一开始慢慢发，然后越来越快，然后进行拥塞控制，然后到超时，再慢开始。

慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复就是拥塞控制所做的事情了。

注意的是，图中的第 4 个点就是上面说的快速重传 3 个冗余 ACK 来找到丢的报文，并且是从 5 开始的，并不是再慢开始。

有个比喻很形象这里的控制，就像往一个管子里面倒水，你不知道管子中间多粗，总是先倒的很快；等水满出来了，哦，知道了，倒太快了，就慢一点，等水下去一点然后再开始倒。

总结

其实回头看看，是不是 TCP 并没有想象中的那么复杂。所以它的负责，它的所作所为都是为了成为一个可靠的人，面对现在复杂的社会网络环境，它不得不做一个可靠的人，如果没有它可靠的负责，可能我们聊天聊到一半消息不见了，也不是不可能的。

udp

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