Network(TCP)

TCP握手挥手

• TCP

  • TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议

    • 面向连接：一定是「一对一」才能连接，不能像 UDP 协议一个主机同时向多个主机发送消息
    • 可靠的：无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端
    • 字节流：用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统「分组」成多个的 TCP 报文，如果接收方的程序不知道「消息的边界」，无法读出一个有效的用户消息的。并且 TCP 报文是「有序的」，当「前一个」TCP 报文没有收到的时候，即使它先收到了后面的 TCP 报文，那么也不能扔给应用层去处理，同时对「重复」的 TCP 报文会自动丢弃

  • TCP连接

    • 用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括 Socket、序列号和窗口大小称为连接
      • Socket：由 IP 地址和端口号组成
      • 序列号：用来解决乱序问题等
      • 窗口大小：用来做流量控制

  • TCP与UDP区别

    1. 连接

    • TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。
    • UDP 是不需要连接，即刻传输数据。

    2. 服务对象

    • TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
    • UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信

    3. 可靠性

    • TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按序到达。
    • UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。但是可以基于 UDP 传输协议实现一个可靠的传输协议，比如 QUIC 协议

    4. 拥塞控制、流量控制

    • TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
    • UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。

    5. 传输方式

    • TCP 是流式传输，没有边界，但保证顺序和可靠。
    • UDP 是一个包一个包的发送，是有边界的，但可能会丢包和乱序。

    6. 分片不同

    • TCP 的数据大小如果大于 MSS 大小，则会在传输层进行分片，目标主机收到后，也同样在传输层组装 TCP 数据包，如果中途丢失了一个分片，只需要传输丢失的这个分片。
    • UDP 的数据大小如果大于 MTU 大小，则会在 IP 层进行分片，目标主机收到后，在 IP 层组装完数据，接着再传给传输层

  • 传输层的「端口号」是为了区分同一个主机上不同应用程序的数据包 传输层两个传输协议 TCP 和 UDP，在内核中是两个完全独立的软件模块

    TCP和UDP可以使用同一个端口

• TCP连接

  • TCP 是面向连接的协议，所以使用 TCP 前必须先建立连接，而建立连接是通过三次握手来进行的
    • 一开始，客户端和服务端都处于 CLOSE 状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN 状态
    • 客户端会随机初始化序号（client_isn），将此序号置于 TCP 首部的「序号」字段中，同时把 SYN 标志位置为 1，表示 SYN 报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于 SYN-SENT 状态
    • 服务端收到客户端的 SYN 报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server_isn），将此序号填入 TCP 首部的「序号」字段中，其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYN 和 ACK 标志位置为 1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于 SYN-RCVD 状态
    • 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ，其次「确认应答号」字段填入 server_isn + 1 ，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务端的数据，之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
    • 服务端收到客户端的应答报文后，也进入 ESTABLISHED 状态
  • 为什么三次握手？
    • 三次握手的首要原因是为了防止旧的重复连接初始化造成混乱
      • 两次握手，旧连接建立中，网络堵塞，又新发新连接，旧连接先到，导致服务器建立无效连接，浪费存储
      • 在两次握手的情况下，服务端没有中间状态给客户端来阻止历史连接，导致服务端可能建立一个历史连接，造成资源浪费