# 前言 - 计算机网络基础 该是程序猿需掌握的知识，但往往会被忽略 - 今天，我将详细讲解计算机网络中最重要的`TCP`协议，含其特点、三次握手、四次挥手、无差错传输等知识，希望你们会喜欢。 > 阅读本文前，请先了解计算机网络基础知识：[献上一份全面 & 详细的计算机网络基础 学习指南](https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fwww.jianshu.com%2Fp%2F45d27f3e1196) ------ # 目录 ![示意图](../img/167f252ddd628096~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ------ # 1. 定义 `Transmission Control Protocol`，即 传输控制协议 > 1. 属于 传输层通信协议 > 2. 基于`TCP`的应用层协议有`HTTP`、`SMTP`、`FTP`、`Telnet` 和 `POP3` ------ # 2 特点 - 面向连接、面向字节流、全双工通信、可靠 - 具体介绍如下： ![示意图](../img/167f252ddd7fa85d~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ------ # 3. 优缺点 - 优点：数据传输可靠 - 缺点：效率慢（因需建立连接、发送确认包等） ------ # 4. 应用场景（对应的应用层协议） 要求通信数据可靠时，即 数据要准确无误地传递给对方 > 如：传输文件：HTTP、HTTPS、FTP等协议；传输邮件：POP、SMTP等协议 - 万维网：`HTTP`协议 - 文件传输：`FTP`协议 - 电子邮件：`SMTP`协议 - 远程终端接入：`TELNET`协议 ------ # 5. 报文段格式 - TCP虽面向字节流，但传送的数据单元 = 报文段 - 报文段 = 首部 + 数据 2部分 - TCP的全部功能体现在它首部中各字段的作用，故下面主要讲解TCP报文段的首部 > 1. 首部前20个字符固定、后面有4n个字节是根据需而增加的选项 > 2. 故 TCP首部最小长度 = 20字节 ![示意图](../img/167f252ddd830e22~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ![示意图](../img/167f252ddd853d01~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ------ # 6. 建立连接过程 - TCP建立连接需 **三次握手** - 具体介绍如下 ![示意图](../img/167f252e34271519~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ![示意图](../img/167f252e34668f18~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ![示意图](../img/167f252e3a6b3ed7~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) **成功进行TCP的三次握手后，就建立起一条TCP连接，即可传送应用层数据** > 注 > > 1. 因 `TCP`提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据 > 2. 三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发 ### 特别说明：为什么TCP建立连接需三次握手？ - 结论 防止服务器端因接收了**早已失效的连接请求报文**，从而一直等待客户端请求，最终导致**形成死锁、浪费资源** - 具体描述 ![具体描述](../img/167f252e3c435d44~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) > SYN洪泛攻击： > > - 从上可看出：服务端的TCP资源分配时刻 = 完成第二次握手时；而客户端的TCP资源分配时刻 = 完成第三次握手时 > - 这就使得服务器易于受到`SYN`洪泛攻击，即同时多个客户端发起连接请求，从而需进行多个请求的TCP连接资源分配 ------ # 7. 释放连接过程 - 在通信结束后，双方都可以释放连接，共需 **四次挥手** - 具体如下 ![示意图](../img/167f252e605d3801~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ![示意图](../img/167f252e6188cbe4~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ![示意图](../img/167f252e628525c7~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### 特别说明：为什么TCP释放连接需四次挥手？ - 结论 为了保证通信双方都能通知对方 需释放 & 断开连接 > 即释放连接后，都无法接收 / 发送消息给对方 - 具体描述 ![示意图](../img/167f252e67878b13~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) > 延伸疑问：为什么客户端关闭连接前要等待2MSL时间？ > > 1. 即 `TIME - WAIT` 状态的作用是什么； > 2. `MSL` = 最长报文段寿命（`Maximum Segment Lifetime`） - 原因1：为了保证客户端发送的最后1个连接释放确认报文 能到达服务器，从而使得服务器能正常释放连接 ![示意图](../img/167f252e8e1eaddc~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 原因2：防止 上文提到的早已失效的连接请求报文 出现在本连接中 客户端发送了最后1个连接释放请求确认报文后，再经过2`MSL`时间，则可使本连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。 > 即 在下1个新的连接中就不会出现早已失效的连接请求报文 ------ # 8. 无差错传输 - 对比于`UDP`，`TCP`的传输是可靠的、无差错的 - 那么，为什么`TCP`的传输为什么是可靠的、无差错的呢？ - 下面，我将详细讲解`TCP`协议的无差错传输 ### 8.1 含义 - 无差错：即 传输信道不出差错 - 发送 & 接收效率匹配：即 无论发送方以多快的速度发送数据，接收方总来得及处理收到的数据 ### 8.2 基础：滑动窗口 协议 - 先理解2个基础概念：发送窗口、接收窗口 ![示意图](../img/167f252e8f3ec96b~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 工作原理 对于发送端： 1. 每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的距离 2. 当发送窗口内无可发送的帧时（即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧），发送方就会停止发送，直到收到接收方发送的确认帧使窗口移动，窗口内有可以发送的帧，之后才开始继续发送 具体如下图： ![示意图](../img/167f252e8f64231e~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) 对于接收端：当收到数据帧后，将窗口向前移动一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。 ![示意图](../img/167f252e8fd210da~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### 滑动窗口 协议的重要特性 - 只有接收窗口向前滑动、接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动 - 停止-等待协议、后退N帧协议 & 选择重传协议只是在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别： > 1. 停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；即 单帧滑动窗口 等于 停止-等待协议 > 2. 后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1。 > 3. 选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1。 - 当接收窗口的大小为1时，可保证帧有序接收。 - 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的（注意要与TCP的滑动窗口协议区别） ### 8.3 实现无差错传输的解决方案 核心思想：采用一些可靠传输协议，使得 1. 出现差错时，让发送方重传差错数据：即 出错重传 2. 当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即 速度匹配 - 针对上述2个问题，分别采用的解决方案是：自动重传协议 和 流量控制 & 拥塞控制协议 ### 解决方案1：自动重传请求协议ARQ（针对 出错重传） - 定义 即 `Auto Repeat reQuest`，具体介绍如下： ![示意图](../img/167f252eb6cb6116~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 类型 ![示意图](../img/167f252eb748309b~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) 下面，将主要讲解 上述3类协议 ### 类型1：停等式ARQ（Stop-and-Wait） - 原理：（单帧滑动窗口）停止 - 等待协议 + 超时重传 > 即 ：发送窗口大小=1、接收窗口大小=1 - 停止 - 等待协议的协议原理如下： > 1. 发送方每发送一帧，要等到接收方的应答信号后才能发送下一帧 > 2. 接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接下一帧 > 3. 若接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待 ### 类型2：后退N帧协议 也称：连续ARQ协议 - 原理 多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传 > 即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小=1 - 具体描述 a. 发送方：采用多帧滑动窗口的原理，可连续发送多个数据帧 而不需等待对方确认 b. 接收方：采用 **累计确认 & 后退N帧**的原理，只允许按顺序接收帧。具体原理如下： ![示意图](../img/167f252eba0ad6a8~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### 示例讲解 本示例 = 源站 向 目的站 发送数据帧。具体示例如下： ![示意图](../img/167f252ebca2fe05~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### 类型3：选择重传ARQ（Selective Repeat） - 原理 多帧滑动窗口 + 累计确认 + 后退N帧 + 超时重传 > 即 ：发送窗口大小>1、接收窗口大小>1 类似于类型2（后退N帧协议），此处仅仅是接收窗口大小的区别，故此处不作过多描述 - 特点 a. 优：因连续发送数据帧而提高了信道的利用率 b. 缺：重传时又必须把原来已经传送正确的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前面有一个数据帧出了错），将导致传送效率降低 > 由此可见，若信道传输质量很差，导致误码率较大时，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议 # 解决方案2：流量控制 & 拥塞控制（针对 速度匹配） ### 措施1：流量控制 - 简介 ![示意图](../img/167f252ed7ff1783~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 示例 ![示意图](../img/167f252ee5346bda~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 特别注意：死锁问题 ![示意图](../img/167f252ee8fadae9~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ------ ### 措施2：拥塞控制 - 定义 防止过多的数据注入到网络中，使得网络中的路由器 & 链路不致于过载 > 拥塞：对网络中的资源需求 > 该资源所能提供的部分 - 与 “流量控制”的区别 ![示意图](../img/167f252eea289867~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 具体解决方案 共分为2个解决方案：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复 > 其中，涉及4种算法，即 慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复 具体介绍如下 # 解决方案1：慢开始 & 拥塞避免 ### 1.1 储备知识：拥塞窗口、慢开始算法、拥塞避免算法 ### a. 拥塞窗口 - 发送方维持一个状态变量：拥塞窗口`（cwnd， congestion window ）`，具体介绍如下 ![示意图](../img/167f252f03d5ca5d~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### b. 慢开始算法 - 原理 当主机开始发送数据时，由小到大逐渐增大 拥塞窗口数值（即 发送窗口数值），从而 由小到大逐渐增大发送报文段 - 目的 开始传输时，**试探**网络的拥塞情况 - 具体措施 ![示意图](../img/167f252f0b9ae4a3~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 示意图 ![示意图](../img/167f252f0f269af9~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 特别注意 慢开始的“慢”指：一开始发送报文段时拥塞窗口`（cwnd）`设置得较小（为1），使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况） > 并不是指拥塞窗口`（cwnd）`的增长速率慢 ### c. 拥塞避免 算法 - 原理 使得拥塞窗口`（cwnd）`**按线性规律 缓慢增长**：每经过一个往返时间`RTT`，发送方的拥塞窗口`（cwnd）`加1 > 1. **拥塞避免 并不可避免拥塞**，只是将拥塞窗口按现行规律缓慢增长，使得网络比较不容易出现拥塞 > 2. 相比慢开始算法的加倍，拥塞窗口增长速率缓慢得多 - 示意图 ![示意图](../img/167f252f10b0f1b3~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### 1.2 解决方案描述（慢开始 & 拥塞避免） - 为了防止拥塞窗口`（cwnd）`增长过大而引起网络拥塞，采用慢开始 & 拥塞避免 2种算法，具体规则如下 ![示意图](../img/167f252f2388e447~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 实例说明 ![示意图](../img/167f252f2e25c424~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) # 解决方案2：快重传 & 快恢复 快重传 & 快恢复的解决方案 是对慢开始 & 拥塞避免算法的改进 ### 2.1 储备知识：快重传算法、快恢复算法 ### a. 快重传算法 - 原理 1. 接收方 每收到一个失序的报文段后 就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认 2. 发送方只要一连收到3个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文段，而不必 继续等待设置的重传计时器到期 - 作用 由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20% - 示意图 ![示意图](../img/167f252f3689ee59~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ### b. 快恢复 当发送方连续收到3个重复确认后，就： 1. 执行 **乘法减小** 算法：把 慢开始门限`（ssthresh）`设置为 出现拥塞时发送方窗口值的一半 = 拥塞窗口的1半 2. 将拥塞窗口`（cwnd）`值设置为 慢开始门限`ssthresh`减半后的数值 = 拥塞窗口的1半 3. 执行 **加法增大** 算法：执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大。 > 注： > > 1. 由于跳过了拥塞窗口`（cwnd）`从1起始的慢开始过程，所以称为：快恢复 > 2. 此处网络不会发生网络拥塞，因若拥塞，则不会收到多个重复确认报文 ### 2.2 解决方案描述（快重传 & 快恢复） - 原理 为了优化慢开始 & 拥塞避免的解决方案，在上述方案中加入快重传 & 快恢复 2种算法，具体规则如下 ![示意图](../img/167f252f3906dd02~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) - 示意图 ![示意图](../img/167f252f4a3464e3~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) 至此，关于`TCP`无差错传输的知识讲解完毕。 ------ # 9. 与UDP协议的区别 ![示意图](../img/167f252f59cc203e~tplv-t2oaga2asx-jj-mark:3024:0:0:0:q75.png) ------ # 10. 总结 作者：Carson带你学Android 链接：https://juejin.cn/post/6844903748578312206 来源：稀土掘金 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。