TCP相关知识总结

参考：

http://coolshell.cn/articles/11564.html

http://coolshell.cn/articles/11609.html

TCP头格式

接下来，我们来看一下TCP头的格式





你需要注意这么几点：

TCP的包是没有IP地址的，那是IP层上的事。但是有源端口和目标端口。

一个TCP连接需要四个元组来表示是同一个连接（src_ip, src_port, dst_ip, dst_port）准确说是五元组，还有一个是协议。但因为这里只是说TCP协议，所以，这里我只说四元组。

注意上图中的四个非常重要的东西：

Sequence Number是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题。

Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题。

Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的。

TCP Flag ，也就是包的类型，主要是用于操控TCP的状态机的。

关于其它的东西，可以参看下面的图示





TCP的状态机

其实，网络上的传输是没有连接的，包括TCP也是一样的。而TCP所谓的“连接”，其实只不过是在通讯的双方维护一个“连接状态”，让它看上去好像有连接一样。所以，TCP的状态变换是非常重要的。

下面是：“TCP协议的状态机”（图片来源）和 “TCP建链接”、“TCP断链接”、“传数据” 的对照图，我把两个图并排放在一起，这样方便在你对照着看。另外，下面这两个图非常非常的重要，你一定要记牢。（吐个槽：看到这样复杂的状态机，就知道这个协议有多复杂，复杂的东西总是有很多坑爹的事情，所以TCP协议其实也挺坑爹的）







很多人会问，为什么建链接要3次握手，断链接需要4次挥手？

对于建链接的3次握手，主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Sequence Number（缩写为ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全称Synchronize Sequence Numbers。也就上图中的 x 和 y。这个号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输的问题而乱序（TCP会用这个序号来拼接数据）。

对于4次挥手，其实你仔细看是2次，因为TCP是全双工的，所以，发送方和接收方都需要Fin和Ack。只不过，有一方是被动的，所以看上去就成了所谓的4次挥手。如果两边同时断连接，那就会就进入到CLOSING状态，然后到达TIME_WAIT状态。下图是双方同时断连接的示意图（你同样可以对照着TCP状态机看）：

为什么需要“三次握手”： 为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误

谢希仁版《计算机网络》中的例子是这样的，“已失效的连接请求报文段”的产生在这样一种情况下：client发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某个网络结点长时间的滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达server。本来这是一个早已失效的报文段。但server收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认，新的连接就建立了。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理睬server的确认，也不会向server发送数据。但server却以为新的运输连接已经建立，并一直等待client发来数据。这样，server的很多资源就白白浪费掉了。采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生。例如刚才那种情况，client不会向server的确认发出确认。server由于收不到确认，就知道client并没有要求建立连接。”。主要目的防止server端一直等待，浪费资源。

为什么需要“四次挥手”： 因为TCP是全双工模式，接收到FIN时意味将没有数据再发来，但是还是可以继续发送数据。

TCP的拥塞处理 – Congestion Handling

对此TCP的设计理念是：TCP不是一个自私的协议，当拥塞发生的时候，要做自我牺牲。就像交通阻塞一样，每个车都应该把路让出来，而不要再去抢路了。

拥塞控制主要是四个算法：1）慢启动，2）拥塞避免，3）拥塞发生，4）快速恢复。这四个算法不是一天都搞出来的，这个四算法的发展经历了很多时间，到今天都还在优化中。备注:

· 1988年，TCP-Tahoe 提出了1）慢启动，2）拥塞避免，3）拥塞发生时的快速重传

· 1990年，TCP Reno 在Tahoe的基础上增加了4）快速恢复

慢热启动算法 – Slow Start
首先，我们来看一下TCP的慢热启动。慢启动的意思是，刚刚加入网络的连接，一点一点地提速，不要一上来就像那些特权车一样霸道地把路占满。新同学上高速还是要慢一点，不要把已经在高速上的秩序给搞乱了。

慢启动的算法如下(cwnd全称Congestion Window)：

1）连接建好的开始先初始化cwnd = 1，表明可以传一个MSS大小的数据。

2）每当收到一个ACK，cwnd++; 呈线性上升

3）每当过了一个RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指数让升

4）还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”（后面会说这个算法）

所以，我们可以看到，如果网速很快的话，ACK也会返回得快，RTT也会短，那么，这个慢启动就一点也不慢。下图说明了这个过程。





这里，我需要提一下的是一篇Google的论文《An Argument for Increasing TCP’s Initial Congestion Window》Linux 3.0后采用了这篇论文的建议——把cwnd 初始化成了 10个MSS。 而Linux 3.0以前，比如2.6，Linux采用了RFC3390，cwnd是跟MSS的值来变的，如果MSS< 1095，则cwnd = 4；如果MSS>2190，则cwnd=2；其它情况下，则是3。

拥塞避免算法 – Congestion Avoidance
前面说过，还有一个ssthresh（slow start threshold），是一个上限，当cwnd >= ssthresh时，就会进入“拥塞避免算法”。一般来说ssthresh的值是65535，单位是字节，当cwnd达到这个值时后，算法如下：

1）收到一个ACK时，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2）当每过一个RTT时，cwnd = cwnd + 1

这样就可以避免增长过快导致网络拥塞，慢慢的增加调整到网络的最佳值。很明显，是一个线性上升的算法。

拥塞状态时的算法
前面我们说过，当丢包的时候，会有两种情况：

1）等到RTO超时，重传数据包。TCP认为这种情况太糟糕，反应也很强烈。

o sshthresh = cwnd /2

o cwnd 重置为 1

o 进入慢启动过程

2）Fast Retransmit算法，也就是在收到3个duplicate ACK时就开启重传，而不用等到RTO超时。

o TCP Tahoe的实现和RTO超时一样。

o TCP Reno的实现是：

§ cwnd = cwnd /2

§ sshthresh = cwnd

§ 进入快速恢复算法——Fast Recovery

上面我们可以看到RTO超时后，sshthresh会变成cwnd的一半，这意味着，如果cwnd<=sshthresh时出现的丢包，那么TCP的sshthresh就会减了一半，然后等cwnd又很快地以指数级增涨爬到这个地方时，就会成慢慢的线性增涨。我们可以看到，TCP是怎么通过这种强烈地震荡快速而小心得找到网站流量的平衡点的。

TCP四种定时器

定时器在TCP可靠传输的过程中起着举足轻重的作用。TCP在建立连接之后可能(保活keep-alive定时器是可选的)会 启动四个定时器。

TCP使用四种定时器(Timer，也称为“计时器”)：

重传计时器：Retransmission Timer

坚持计时器：Persistent Timer

保活计时器：Keeplive Timer

时间等待计时器：Time_Wait Timer。

(1)重传计时器：Retransmission Timer

重传定时器：为了控制丢失的报文段或丢弃的报文段，也就是对报文段确认的等待时间。当TCP发送报文段时，就创建这个特定报文段的重传计时器，可能发生两种情况：若在计时器超时之前收到对报文段的确认，则撤销计时器;若在收到对特定报文段的确认之前计时器超时，则重传该报文，并把计时器复位;

重传时间=2*RTT;

RTT的值应该动态计算。常用的公式是：RTT=previous RTT*i + (1-i)*current RTT。i的值通常取90%，即新的RTT是以前的RTT值的90%加上当前RTT值的10%.

Karn算法：对重传报文，在计算新的RTT时，不考虑重传报文的RTT。因为无法推理出：发送端所收到的确认是对上一次报文段的确认还是对重传报文段的确认。干脆不计入。

(2)坚持计时器：persistent timer

专门为对付零窗口通知而设立的。

当发送端收到零窗口的确认时，就启动坚持计时器，当坚持计时器截止期到时，发送端TCP就发送一个特殊的报文段，叫探测报文段，这个报文段只有一个字节的数据。探测报文段有序号，但序号永远不需要确认，甚至在计算对其他部分数据的确认时这个序号也被忽略。探测报文段提醒接收端TCP，确认已丢失，必须重传。

坚持计时器的截止期设置为重传时间的值，但若没有收到从接收端来的响应，则发送另一个探测报文段，并将坚持计时器的值加倍和并复位，发送端继续发送探测报文段，将坚持计时器的值加倍和复位，知道这个值增大到阈值为止(通常为60秒)。之后，发送端每隔60s就发送一个报文段，直到窗口重新打开为止;

补充：

坚持定时器的原理是简单的，当TCP服务器收到了客户端的0滑动窗口报文的时候，就启动一个定时器来计时，并在定时器溢出的时候向向客户端查询窗口是否已经增大，如果得到非零的窗口就重新开始发送数据，如果得到0窗口就再开一个新的定时器准备下一次查询。通过观察可以得知，TCP的坚持定时器使用1，2，4，8，16……64秒这样的普通指数退避序列来作为每一次的溢出时间。

糊涂窗口综合症

TCP的窗口协议，会引起一种通常叫做糊涂窗口综合症的问题，具体表现为，当客户端通告一个小的非零窗口时，服务器立刻发送小数据给客户端并充满其缓冲区，一来二去就会让网络中充满小TCP数据报，从而影响网络利用率。对于发送方和接收端的这种糊涂行为。

再次补充：

TCP通过让接收方指明希望从发送方接收的数据字节数(即窗口大小)来进行流量控制。如果窗口大小为 0会发生什么情况呢?这将有效地阻止发送方传送数据，直到窗口变为非0为止。

TCP不对ACK报文段进行确认， TCP只确认那些包含有数据的ACK报文段。

如果一个确认丢失了(这个确认是”接收方“向”发送方“发送的ACK，通知”发送方“自己的窗口已经非0了)，则双方就有可能因为等待对方而使连接终止：接收方等待接收数据(因为它已经向发送方通告了一个非 0的窗口)，而发送方在等待允许它继续发送数据的窗口更新。为防止这种死锁情况的发生，发送方使用一个坚持定时器 (persist timer)来周期性地向接收方查询，以便发现窗口是否已增大。这些从发送方发出的报文段称为窗口探查 (window probe)。

(3)保活计时器：keeplive timer

每当服务器收到客户的信息，就将keeplive timer复位，超时通常设置2小时，若服务器超过2小时还没有收到来自客户的信息，就发送探测报文段，若发送了10个探测报文段(没75秒发送一个)还没收到响应，则终止连接。

补充：

保活定时器更加的简单，还记得FTP或者Http服务器都有Sesstion Time机制么?因为TCP是面向连接的，所以就会出现只连接不传送数据的“半开放连接”，服务器当然要检测到这种连接并且在某些情况下释放这种连接，这就是保活定时器的作用。其时限根据服务器的实现不同而不通。另外要提到的是，当其中一端如果崩溃并重新启动的情况下，如果收到该端“前生”的保活探察，则要发送一个RST数据报文帮助另一端结束连接。

(4)时间等待计时器：Time_Wait Timer

在连接终止期使用，当TCP关闭连接时，并不认为这个连接就真正关闭了，在时间等待期间，连接还处于一种中间过度状态。这样就可以时重复的fin报文段在到达终点后被丢弃，这个计时器的值通常设置为一格报文段寿命期望值的两倍。

补充：

2MSL定时器：MSL是报文段做大生存时间(Maximum Segment Lifetime),设置这个定时器有两个目的：

其一是为了测量连接处于TIME_WAIT状态的时间.这样可以让TCP再次发送最后的ACK以防止这个ACK丢失(如果丢失，另一端会重传FIN)。

其二，为允许老的重复分节在网络中消逝。具体可以解释为，如果一个TCP连接在断开之前有迷途分节尚未消逝，在断开该TCP连接之后立刻重启一个同样的连接(双方的IP地址和端口port相同)，这时之前的迷途的老分节可能对新的新的TCP连接接收，从而造成未定义的错误。为了避免这种情况，TCP规定在TIME_WAIT状态，不能启动一个连接的化身。既然TIME_WAIT状态维持2MSL，这就保证了一个连接上的分组及其应该在 2MSL内都会消失。