一篇文章搞懂TCP协议_如果不考虑慢启动门限,请问多长时间tap传输填满整个带宽

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TCP概述

• 面向连接的运输层协议：应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接，数据传输完毕后，必须释放已建立的TCP连接
• 点对点：TCP连接只能有两个端点，一对一
• 可靠：通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、按需到达
• 全双工通信：连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据
• 面向字节流：数据通过自己序列发送，发送和接收的字节流顺序必须完全一致

TCP报文段的首部格式

• 源端口和目的端口：各占2个字节
• 序号：占4字节，范围是0～2的32次方减1，TCP在传输过字节流的每一个字节都按顺序编号，编号循环使用
• 确认号：占4字节，期望收到对方下一个报文的数据字节的序号
• 数据偏移：占4位，标记报文段的数据起始处距离报文段的起始处的距离
• 保留：占6位
• 紧急URG：当URG为1时，表明紧急指针字段有效，它告诉接收方此报文段有紧急数据，必须优先接收，此时该报文不再需需要按照原定的顺序排队，直接插入到本报文数据的最前面，优先处理（比如Control + C命令）
• 确认ACK：TCP规定，在连接建立后，所有传送的报文段都必须把ACK置为1
• 推送PUSH：当输出某些指令后立即需要收到对方响应，在这种情况下，TCP就可以使用push操作，发送方把PUSH置为1，并立即创建一个报文发送出去，接收方收到PUSH为1的报文段时，就立即将缓冲区的报文交付给应用进程，而不再等到整个缓冲区都填满后再向上交付
• 复位RST：当RST为1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接重新建立连接，可用于拒绝非法报文或非法连接
• 同步SYN ：在建立连接时用来同步序列号，当SYN=1而ACK=0时，表明建立连接请求，若对方同意建立连接，则应该在响应的报文段中使用SYN=1和ACK=1
• 终止FIN：用来释放连接，当FIN=1时，表示此报文发送方的数据已经发送完毕，请求释放TCP连接
• 窗口：占2个字节，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据，可靠传输和流量控制都依赖窗口实现（后面详细说）
• 检验和：计算检验和时要在TCP报文段前面加上伟首部，用来检验传输数据是否有错
• 紧急指针：占2个字节，在URG=1时才有意义，标记紧急报文中的紧急数据的字节数，紧急数据结束后就是普通数据。
• 选项：规定每个报文段中的数据字段的最大长度MSS，一般在建立连接时，双方将自己能够支持的MSS写入选项中，以后就按照这个数据传输数据。
• 数据

报文段首部格式一定要记住，至少要大概理解后，再带着疑问去看下边，否则看下边有可能会一脸懵逼。

TCP可靠传输的实现

                                                     

       TCP的可靠传输通过滑动窗口实现，滑动窗口以字节为单位。凡是已发送过的数据，在未收到确认之前都必须暂时保留，以便在超时重传时使用，窗口越大，发送方就可以在收到对方确认之前连续发送更多的数据，获得更高的传输速率。滑动窗口可以分为四部分：

• 已发送并搜到确认
• 已发送未收到确认
• 允许发送但尚未发送
• 不允许发送

       窗口依赖三个指针，P1，P2和P3，小于1的是已经发送并收到确认的字节，1和2之间的是已发送但未收到确认的字节，2和3之间是允许发送但尚未发送但字节，大于3为不允许发送的字节，1和3之间的字节数即为接收方规定的滑动窗口大小（流量控制）。接收方B只能对按需收到的最高序号给出确认，当指针2和指针3重合时，发送方必须停止发送数据，等待接收方的确认，为了保证可靠传输，A必须等到B的确认才能继续发送数据，为了保证发送方不会一直等待，到达依赖超时计时器（动态计算超时重传时间）规定的时间后，就重传这部分数据，直到收到接收方B的确认。

超时重传时间的选择采用一个自适应算法，它会记录一个报文段发出的时间，以及收到响应的确认的时间，作为往返时间RTT，计算为加权平均往返时间RTTs，RTTd为RTT的偏差的加权平均值，通过这几个值计算得到超时重传时间RTO。计算的规则是：报文段每重传一次，就把超时重传时间RTO增大一些，当不再发生报文段的重传时，根据下面公式计算RTO。

                                                                            RTO = RTTs + 4 * RTTd

TCP的流量控制

        流量控制就是让发送方的发送速率不要太快，要让接收方来得及接收，利用滑动窗口实现。发送方的发送窗口不能超过接收方给出的接收窗口大小。当接收方接收能力下降时，会缩小自己的接收窗口，发送方通过报文头部的串口字段告知发送方。

       还以上面发送方为A，接收方为B作为例子，当B的接收缓存满之后，将自己的接收窗口置为0，通过报文的窗口字段告知发送方A，过了一段时间后，B的应用程序将接收缓冲区的数据处理了一部分，接收窗口又有了空间，假设为300，此时B向A发送报文告知对方接收窗口为300，如果该报文在传输中丢失了，A不会一直傻傻地等待，在A收到B的0窗口报文后，就会开启该连接设定的持续计时器，当超过计时器规定的时间后，A会向B发送一个0窗口探测报文段，B在收到这个探测报文后，会重新发送300的窗口报文段。此时有人会问，B的接收窗口大小为0了，怎么还能接收0窗口探测报文段？这里需要记住：TCP规定，即使接收窗口为0，也必须可以接收0窗口探测报文段、ACK=1的报文段和URG=1的报文段

TCP的拥塞控制

                                                   

TCP进行拥塞控制的算法有4个：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

1. 慢开始：将拥塞窗口大小设置为1个发送方的最大报文段MSS（上面说过哈，报文首部的选项字段），每经过一个传输轮次，拥塞窗口就加倍，直到达到慢开始门限后开启拥塞避免。
2. 拥塞避免：当达到慢开始门限后，每收到一次接收方的确认ACK，就将拥塞窗口大小+1，直到网络出现超时后，将慢开始门限调整为原来的一半，执行慢开始算法。
3. 快重传：快重传算法可以让发送方尽早知道发生了个别报文段的丢失。由于接收方必须对发送方每个报文回复确认ACK，假设发送方以此发送M1、M2、M3、M4、M5、M6报文，接收方收到1和2后都及时给出了确认，由于字节都是连续都，假设接收方没有收到3，但收到了4，此时接收方会在收到4、5、6报文后都发送对2的确认，当发送方连续收到3个重复确认时，就知道接收方没有收到报文段3，此时会立即重传报文3。
4. 快恢复：当发生快重传时，发送方知道现在只是丢失了个别字段，所以不启动慢开始，而是执行快恢复算法，将拥塞窗口调整为慢开始门限的一半，执行拥塞避免算法。

下面通过一道题来理解：

问题：设tcp的拥塞窗口的慢开始门限值初始为8,当拥塞窗口上升到12时网络发生超时，那么第13次传输时的拥塞窗口大小为多少？

解答：

1. 慢开始：0->1->2->4->8（传输4次）
2. 到达慢开始门限8，进入拥塞避免： 8->9->10->11->12（传输4次）
3. 增长到12发生超时，慢开始门限调整到6，慢启动：0->1->2->4->6（传输4次）
4. 6已经达到慢开始门限，进入拥塞避免：6->7（第十三次传输）
5. 所以最终答案为7

TCP连接的三次握手

                                                              

1. 最开始的 Client 和 Server 都是处于 Closed，由于服务器端不知道要跟谁建立连接，所以其只能被动打开，然后监听端口，此时 Server 处于 Listen 状态；

2. 而 Client 会主动打开，然后构建好 TCB 「SYN= 1，seq = x」，发送给服务器端，此时 Client 会将状态置为 SYN_SEND 「同步已发送」；

3. 服务器端收到客户端发来的同步请求后，会将状态置为 SYN_RECV「同步已接收」，同时会构建好 TCB「SYN = 1，seq = y，ACK = 1，ack = x + 1」发送给客户端；

4. 客户端接收到了服务器端发来的传输控制块之后，会将自己的状态改为 ESTABLISHED「建立连接」，然后发送确认报文（ACK= 1，seq = x + 1，ack = y + 1）；

5. 服务器端在收到了客户端发来的报文之后，也将状态置为 ESTABLISHED「建立连接」，至此，三次握手结束，当然在这里，可以带 tcp 报文段信息过来了，因为此时客户端已经可以保证是可靠的传输了，所以在这一端可以发送报文段了。

题目1：为什么A最后还要再发送一次确认？

解答：为了防止因为网络原因迟来的A连接请求到达B，B单方面建立连接浪费B的资源。假如A发送了连接请求，但未收到确认，于是A又重传了一次连接请求，第二个连接请求正常连接并传输数据。此时A的第一个连接没有丢失，只是延迟了，又到达了B，B误以为是A又发送的一次连接，假如此时B向A发出确认后，A会丢弃B的确认，假如没有A最后一次的确认，B就会在发送确认后建立连接，白白浪费B的资源。

题目2：为何不直接在第一次握手就带上报文段消息，非要第三次才可以带？

解答：因为 TCP 是要保证数据的不丢失且可靠，如果在第一次就带上报文段消息，此次建立连接很有可能就会失败，那么就不能保证数据的不丢失了，在不可靠的机制上进行这种操作，换来的代价太大，每次发送报文段的资源也会增大，得不偿失；而第三次握手的时候，客户端已经知道服务器端准备好了，所以只要告诉服务器端自己准备好了就ok了，所以此时带上报文段信息没有任何问题。

TCP断开的四次挥手

                                                    

1. 最开始客户端和服务器端都是 ESTABLISHED 的状态，然后客户端会主动关闭，而服务器端则是被动关闭。（主动关闭的我们认为是客户端）

2. 客户端发送一个 FIN 报文段，seq = 结束的报文段序号 + 1「假设为 u」，告诉服务器端，客户端需要关闭了，此时将客户端的状态变为 FIN-WAIT-1，等待服务器端的反馈；

3. 服务器在接收到了客户端发来的 FIN 包之后，会发一条 ack报文反馈给客户端，其中报文中包括 ACK = 1，seq = v，ack = u+1，告诉客户端收到了客户端要关闭的消息了，同时服务器端会通知应用进程需要关闭连接了，并将自己的状态置为 CLOSE-WAIT；

4. 由于服务器端可能还有一些数据没处理完，所以需要一段时间的等待，当处理完了之后，会再发一条报文，其中 FIN = 1，ACK = 1，seq = w，ack = u+1，告知客户端，服务器端现在可以关闭了，并将服务器端的状态由 CLOSE-WAIT 变为 LAST-ACK；

5. 客户端在收到了服务器端发来的消息之后，会发一条ack报文「ACK = 1，seq = u+1，ack = w+1」回去，告知服务器端，客户端已经知道了你准备好关闭了，此时会将客户端的状态由 FIN-WAIT-2 置为 TIME-WAIT，在两个最长报文段传输时间过后，会自动将客户端的状态由 TIME-WAIT 置为 CLOSED。

6. 服务器端收到消息之后，就将状态由 LAST-ACK 置为了 CLOSED，自此，四次挥手全部结束。

题目1：在B向A发送FIN断开连接的报文后，A发送确认后做了什么？是马上断开吗？为什么要等待2个时间周期？

解答：图里很明了，并不是马上断开，而是等待了2个时间周期。原因有2个：

• 为了保证A发送的最后一个ACK报文能到达B，在这两个时间周期内如果B收不到A的确认，会超时重传这个FIN+ACK的报文，A就会收到重传的断开确认报文，此时A会重传确认，重新启动2MSL计时器。假如A不等待2MSL，就不会收到B的重传报文，也就不会再发送一次确认报文，B就无法按照正常步骤进入CLOSE状态。
• A在发送完最后一个ACK报文后，经过2MSL，就可以使本次连接内产生的所有报文都从网络中消失，在下一个新连接中就不会出现旧的连接报文段。

题目2：主动关闭方和被动关闭方，谁先进入CLOSE状态？

解答：看图也可以发现，是被动关闭方先进入CLOSE状态，原因上一题的答案就可以解释明白。

题目3:为何不能三次挥手呢？

解答：首先如果去掉最后一次挥手，那么服务器端就不知道自己要关闭的报文有没有传输成功，可能半路上就失败了，但是此时客户端不知道，导致客户端一直在等待服务器关闭，但是此时服务器端直接就关闭了。