TCP(二轮复习)

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网络模型

1 七层网络模型

国际标注化组织ISO于1981年 正式推荐了一个网络体系结构–七层参考模型，也被叫做开放系统互连模型

这七层网络模型在传输过程中还会对数据进行封装，过程如图所示

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在ISO七层网络模型中，当一台主机需要传送用户数据时，数据先进入应用层。在应用层中，数据被加上应用层报头（AH），形成应用层协议数据单元（PDU），然后被递交到表示层。表示层不关心上层应用数据格式而是把整个数据包看成一个整体（应用层数据）进行封装，及加上表示层报头（PH）。下层分别加上自己的报头，其中数据链路层还会封装一个链尾，形成一帧数据。

当一帧数据通过物理层传输到目标主机物理层时，主机递交到数据链路层，同样经历上述相反的过程一层一层解包拿到数据。

2 五层网络模型

大学教科书一般采用了一个五层的网络模型

1 应用层 : 确定进程之间的通信性质以满足用户需求。

2 运输层：负责主机间不同进程的通信。即TCP与UDP

3 网络层：负责分组交换不同主机间的通信 IP数据报

4 数据链路层：负责将网络层的IP数据报组装成帧

5 物理层：透明的传输比特流

3 四层网络模型

不论是七层还是五层，都是学术上的概念，实际应用的网络模型是一个四层的TCP/IP模型。

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TCP|IP 被组织成四个概念层，其中三个与ISO中模型对应。TCP、IP协议簇不包含链路层和物理层，其需要与其他协议协同工作。

  1. 网络接口层

网络接口层包括用于IP数据在已有网络介质上的传输协议。实际上TCP、IP并不定义与ISO链路物理层相对应的功能，相反它定义了ARP这样的协议，提供TCP、IP与硬件间的接口

  1. 网间层

网间层对应网络层，本层包含IP、RIP协议，负责数据包装、寻址、路由

  1. 传输层

网间层对应OSI参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP提供可靠的数据流传输服务，UDP提供不可靠的数据报服务。

  1. 应用层

应用层对应应用层和表示层。

TCP头部

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TCP头部里每一个字段都为管理TCP连接和控制起了重要作用

  1. 16位端口号：告知报文段来自哪里，传到哪里。进行TCP通信时，客户端通常使用临时端口号，服务器则使用知名端口号
  2. 32位序号：一次TCP通信（TCP连接建立到断开）过程中传输字节流中字节的标号，序号值被初始化为某随机值，之后该传输方向上TCP报文的序号值加上该随机值的偏移
  3. 32位确认号：用作对一方发来TCP报文段的相应。其值是TCP报文段值加1
  4. 4位头部长度 标识TCP头部有多少（4字节），这样TCP首部最大是60字节
  5. 6位标志位包含如下几项

1）URG 紧急指针是否有效

2）ACK 确认号是否有效

3）PSH 提示接收端立即从缓冲区读走数据

4）RST 表示要求重新建立连接

5） SYN 标识请求开始一个连接 （同步报文段）

6）FIN标志 表示通知对方要关闭连接了 （结束报文段）

  1. 16位窗口大小 TCP控制流量的手段，接受窗口（告诉对方TCP缓冲区还能容纳的字节数）
  2. 16位验校和 检验TCP报文段在传输过程中是否损坏
  3. 16位紧急指针 正偏移量

有几点需要注意 TCP包没有IP地址，这属于网络层、一个TCP连接需要4个元组（略）来保证是同一连接。 SequenceNubmer是包序号，来解决网络包乱序问题ACK用于确认不丢包 Window是滑动窗口用来解决流控问题

TCP状态流转

首先了解注明的三次握手与四次挥手

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  1. TCP建立连接

1） 第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=J）到服务器，并且进入SYN_SEND状态等待服务器确认

2） 第二次握手：服务器收到SYN包，确认客户端的SYN（ACK=J+1）同时也发送一个自己的SYN包（SYN=K）即SYN+ACK包，服务器进入SYN_RECV状态

3） 第三次握手：客户端收到SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ACK=K+1）发送完毕客户端和服务器进入ESTABLISHED状态

  1. TCP断开连接

TCP有个特殊的概念叫半关闭，这个概念是说TCP连接是全双工连接，因此关闭连接必须关闭两个方向上的连接。客户机给服务器发送一个FIN的TCP报文，然后服务器回一个ACK报文，并且发送一个FIN报文，之后客户端再回ACK就结束了。

在建立连接的时候，通信双方要确认最大报文长度，一般这个SYN是MTU减去IP和TCP的首部长度，对于以太网一般可以达到1460字节，当然非本地IP只有536字节，中间传输的MSS更小的话这个值更小

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2MSL 等待状态 （TIMEWAIT）发送了最后一个ACK后，防止最后一次的数据报没有达到对方那里。这个状态保证了双方都可以正常结束，由于socket（IP和端口对）使得应用程序在这个时间（2MSL）无法使用同一个服务。这对于客户端无所谓，但是服务程序（httpd）总要用一个端口来服务。而这个时间，启动httpd会出现错误（插口被使用）。为了避免这个错误，服务器给出了平静时间的概念，虽然可以重新启动服务器，但是要平静的等待2MSL才能进行下一次连接

FIN_WAIT_2 状态 这是注明的半关闭状态，这个状态应用程序还可可以接受数据但是不能发送数据。还有一种可能是 客户端一直 FIN_WAIT_2 ，服务器一直 CLOSE_WAIT 状态 直到应用层来关闭这个状态

RST 同时打开和同时关闭，概率很小

TCP超时重传

本节讨论异常网络状况下，TCP如何控制数据保证其承诺的可靠服务

  1. 数据顺利到对端，对端顺利响应ACK
  2. 数据包中途丢失
  3. 数据包顺利达到，但是ACK报文丢失
  4. 数据报数据达到，但是对异常未响应

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出现这些异常情况时，TCP就会超时重传。TCP每发一个报文段，就对这个报文段设一个计时器，如果确认的时间到了而没有收到确认，就会重传报文段，这被称为超时重传

利用tcpdump调试出以下信息

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可以看出重传时间为2、4、8、6（可能是被终止了）

客户端一直没有得到ACK报文，客户端会一直重传，影响重传效率的是RTO。RTO指发送数据后，传送数据等待ACK的时间。RTO非常重要。

  1. 设长了，重发慢，没有效率
  2. 设短了，重发快，网络拥塞

如果底层传输特性已知，则重传相对简单，但是TCP体层完全异构，因此TCP必须适应时延差异。

RFC973规定了经典的自适应算法

1
2
SRTT = α * SRTT + (1 - α) * RTT
RTO = min(UBOUND, max(LBOUND，β * SRTT))

但是这个算法有个问题，主要是由于ACK传输导致的RTT多义性问题

1987年出现了一种carn算法, 忽略重传，不采样重传的RTT。

该算法规定，一但发生重传，就对现有的RTO翻倍。

当不发生重传时，才根据上式计算平均往返时间RTT和重传时间

TCP滑动窗口

TCP滑动窗口主要有两个作用 1. 提供TCP的可靠性 2. 提供TCP的流控特性 同时滑动窗口还体现了TCP面向字节流的设计

对于TCP会话的发送方，任何时候其缓存数据可以分为四类：

  1. 已经发送并受到对方的ACK
  2. 已经发送但未收到ACK
  3. 未发送但是对方允许发送
  4. 不允许发送

其中，已经发送还未收到ACK和未发送但是对方允许发送的部分称为发送窗口

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当对方接收到ACK后续的确认字节时，便会滑动

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对于TCP的接收方，某一时刻其有三种状态 1 已接收 2 未接受准备接受 3 未准备接受

TCP是双工的协议，会话的双方可以同时接受、发送数据。TCP会话双方都各自维护一个发送窗口和接收窗口。滑动窗口实现面向流的可靠性来源于“确认重传机制”，TCP滑动窗口的可靠性也来源于确认重传。发送窗口只有收到对方对于本段ACK的确认，才会移动左边界。前面还有字节未接受的情况下，窗口不会移动。

TCP拥塞控制

计算机中带宽、交换节点中的缓存、处理机都是网络资源。某段时间，网络需求超过了可用部分，网络性能就会变坏，这被称为拥塞。拥塞控制就是防止过多的网络流量注入到网络中。TCP拥塞控制由四个核心算法组成：慢开始、拥塞避免、快速重传和快速恢复

慢开始和拥塞避免

发送方维持一个拥塞窗口的状态变量，拥塞窗口取决于网络的拥塞程度，发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口

慢开始的思路就是一开始不发送大量的数据，先探测网络的拥塞程度。由小至大的增加拥塞窗口

  1. 当主机发送数据时，如果将较大的发送窗口全部注入到网络中，可能引起拥塞
  2. 可以试探一下，由小至大增大拥塞窗口的数量

（这里用报文段说明，实际上拥塞窗口以字节为单位）

慢开始从1开始指数增长，为了防止其增长过大， 设置一个门限，当其达到门限时，变为拥塞避免算法

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拥塞避免算法是使得拥塞窗口缓慢增长，每经过一个RTT就将 拥塞窗口加一

  1. TCP连接初始化，拥塞窗口设为1
  2. 执行慢开始算法，cwind指数增长，直到cwind=ssthress时，开始拥塞避免算法
  3. 当网络拥塞时， 将ssthress设为当前的一半，cwind重新设为1 开始

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快重传和快恢复

快重传要求接收方收到一个失序的报文段后立即发出重复确认（为使发送方尽早知道报文段未传到对方）快重传规定只有一连收到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。

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快重传还配合有快恢复，主要思想包括

  1. 一旦收到三个重复确认，执行乘法减小，ssthresh门限减半，但是并不执行慢开始
  2. 将cwind设为ssthresh， 然后执行拥塞避免算法

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整体上，TCP拥塞窗口的原则是加法增大、乘法减小。可以看出TCP较好的保证了流之间的公平性，一旦丢包就减半退让。