2023-08-02  阅读(275)
原文作者:Ressmix 原文地址:https://www.tpvlog.com/article/346

TCP协议,属于TCP/IP协议模型中 传输层 协议,也是最核心的一个协议。比如,我们在进行Java网络编程时使用的Socket,本质就是一套针对TCP协议实现的SDK。

本章,我将会对TCP协议的底层原理进行讲解,包含TCP连接建立、连接断开、滑动窗口、TCP长连接等等。

一、TCP连接

TCP协议用于应用程序之间的通信,基于 端口 寻址。当客户端程序希望通过TCP与服务端应用程序通信时,会发送一个TCP连接请求。这个请求必须指定明确的IP和端口。在双方“握手”之后,TCP 将在两个应用程序之间建立一个全双工 (full-duplex) 的通信信道。这个全双工的通信信道将占用两个计算机之间的通信线路,直到它被一方或双方关闭为止。

1.1 三次握手

TCP连接的建立要经过三次握手,完整流程如下:

  1. 最初,客户端处于 CLOSED 状态,服务端处于 LISTEN 状态;
  2. 客户端请求建立TCP连接,发送一个SYN = 1信号,同时选择一个初始序列号seq = x ,然后客户端进入 SYN_SEND 状态;
  3. 服务端收到请求后,如果同意建立连接,则返回确认信号:SYN = 1 , ACK = 1,同时要对客户端的x序列号进行确认,返回ack = x + 1,并为自己初始化一个序列号seq = y,然后,服务端进入 SYN_RCVD 状态;
  4. 客户端收到信号后,还要向服务端给出确认:ACK = 1 ack = y + 1,以及自己的序列号seq = x+1,同时客户端状态转变为 ESTABLISHED
  5. 服务端收到ACK信号后,状态转变为 ESTABLISHED
  6. 最后,客户端和服务端基于建立的连接开始相互通信。

上述流程可以用下面这张图表示:

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为什么要进行三次握手? 而不是两次?

假如两次握手就建立连接,我们来看看会出现什么问题:

  1. 首先,客户端发送第一个建立连接请求,假设因为网络抖动这个请求在链路上滞留了;
  2. 接着,客户端重试发送第二个建立连接请求,服务端收到该请求后返回确认,客户端收到响应后即建立了连接;
  3. 此时,原来第一个请求到达了服务端,服务端会为该连接请求开辟资源,并返回响应给客户端;
  4. 但是,对于客户端来说,因为已经建立了连接,所以不会对这次响应做任何处理,那服务端的资源就一直占用着白白浪费了。

采用三次握手时,可以规避上述这种情况,当客户端收到服务端的一个无效连接请求的响应后,会发送一个复位报文,通知服务端撤销已开辟的资源。

### 1.2 四次挥手

TCP连接的断开要经过四次挥手,完整流程如下:

  1. 最初,客户端和服务端都处于 ESTABLISHED 状态;

  2. 客户端请求关闭连接,发送一个FIN = 1信号,并携带自己的序列号seq = x,请求关闭 客户端 -> 服务端的连接,然后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态;

  3. 服务端收到请求后,如果同意关闭连接,则返回确认信号:ACK = 1,同时要对客户端的x序列号进行确认,返回ack = x + 1,并为自己初始化一个序列号seq = y,然后,服务端进入 CLOSE_WAIT 状态;

  4. 客户端收到响应后,进入 FIN_WAIT_2 状态,等待服务器端关闭连接;

  5. 经过上述步骤,只关闭了客户端 -> 服务端的连接,TCP连接是全双工的,所以还需要关闭服务端 -> 客户端的连接;

  6. 服务器端准备好关闭连接时,向客户端发送关闭连接请求:FIN = 1 ACK = 1,同时要对客户端的x序列号进行确认,返回ack = x + 1,并为自己初始化一个序列号seq = y,然后,服务端进入 LAST_ACK 状态,等待来自客户端的最后一个ACK

  7. 客户端接收到服务器端的关闭请求后,发送一个ACK = 1, ack = y + 1信号,以及自己的序列号seq = x+1,然后进入 TIME_WAIT 状态,等待可能出现的要求重传的 ACK 包;

  8. 服务器端接收到确认包后,关闭服务端 -> 客户端的连接,进入 CLOSED 状态;

  9. 客户端在等待了某个固定时间(两个最大段生命周期,2MSL,2 Maximum Segment Lifetime)之后,如果没有收到服务器端的ACK,就默认服务端已经正常关闭连接,于是自己也关闭连接,进入 CLOSED 状态。

上述流程可以用下面这张图表示:

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为什么在关闭服务端->客户端的连接过程中,客户端需要等待 2MSL?

首先,MSL是报文在网络中的最长生存时间,超过这个时间报文将被丢弃,MSK是一个工程经验值,不同的系统中可能不同。之所以客户端要等待2MSL才转换为 CLOSED 状态,有两个原因:

  1. 保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭;
  2. 保证这次连接的重复数据段从网络中消失。

二、TCP重传机制

TCP协议是一个可靠的协议。它通过重传(retransmission)来实现 TCP片段传输的可靠性 。接收方(Receiver)可以通过校验 TCP片段头部checksum 区域来检验TCP片段是否出错。如果TCP片段出错,接收方可以简单的丢弃该TCP片段,也就相当于 TCP片段丢失

TCP片段重传的机制主要有两种:

  1. 超时重传;
  2. 快速重传。

2.1 超时重传

  1. 当发送方送出一个TCP包后,将开始计时,等待接收方对该TCP片段的ACK回复;
  2. 如果接收方正确应答,发送方得到ACK回复后会将计时器清零,然后继续移动窗口,发送接下来的TCP片段;
  3. 如果直到计时完成,发送方还是没有收到ACK回复,那么发送方就认为这个TCP片段丢失了,就会重发TCP片段。

上述过程就是超时重传,发送方计时等待的时间叫做 重新发送超时时间(RTO, retransmission timeout)

上述超时重传机制中,重新发送超时时间(RTO)是很难确认的,因为现实中网络情况差异很大,所以TCP会监视每个连接的传输时延,由此推算出合适的RTO值,然后自动修改RTO的设定,以适应网络环境的变化。

2.2 快速重传

超时重传虽然避免了发送方“干等”的尴尬局面,但仍旧带来了另外的问题:“干等”的时间并不短(常见的配置是200毫秒),这段时间被白白地浪费了, 快速重传 就是解决这个问题的。

快速重传的其基本思路如下:发送方一般不会把数据包一个一个地发(滑动窗口),而是连续发送几个数据包。这连续几个数据包也不太会在路上全军覆没,有个别幸存者还是能够到达接收方。

我们来看一个例子:

  1. 发送方派遣五个兄弟一起去接收方;

  2. 路不好走,老二走丢了,而老大、老三、老四、老五到了终点;

  3. 接收方连续收到老大、老三、老四、老五,也返回4个Ack包(其中后三个属于DupAck)通知发送方自己的接收情况;

  4. 这四个Ack具体是指:

    • 第一个Ack是确认老大到了,也就是确认了老大的序列号+载荷之和(也等于老二的序列号);
    • 第二个Ack属于DupAck,为什么是Dup (duplicate)呢?因为确认号还是上一个,也就是老大的序列号+载荷之和(也等于老二的序列号);
    • 第三个Ack也属于DupAck,也是老大的序列号+载荷之和(也等于老二的序列号);
    • 第四个Ack也属于DupAck,同样是老大的序列号+载荷之和(也等于老二的序列号)。总之看起来就是,后面三个Ack都一直在呼唤老二(他的序列号)。
  5. 发送方赶紧把老二克隆了一遍,把克隆出来的老二再次发送给接收方(发送缓冲区里有所有的数据,使得克隆成为可能);

  6. 接收方这次收到了克隆后的老二,这五兄弟终于凑齐了,于是这次发送任务成功完成。如下图所示:

202308022222164603.png

对于上述第五步,如果重传的数据包还是没有到达,那情况会如何呢?不同的操作系统和TCP配置其行为会有些差异,但大体上也还是超时重传和快速重传这两者结合,力争数据包都成功传送。对于实在“路太难走导致一直不能发送成功”的情况,其中一方会选择结束(发送RST给对方)这次无意义的连接。

综上,所谓 快速重传 ,就是指如果发送方接受到3个以上的重复ACK,就会意识到TCP片段可能丢失了,就会重传。但是这个机制和普通的超时重新发送有所不同,不需要等到重传定时器结束,所以叫做快速重传。

快速重传机制下,客户端不会长时间空闲等待重传计时器超时,所以可以增加网络吞吐量。

三、滑动窗口协议

滑动窗口 是 TCP 传输层的一种 流量控制技术 ,也被称为 通告窗口 。滑动窗口是接收方设置的窗口大小,随后接收方会把窗口大小告诉发送方,以此限制发送方每次发送数据的大小,从而达到流量控制的目的。

3.1 滑动窗口算法

滑动窗口算法,就是将一个时间窗口划分成更小的时间窗口,然后随着时间的滑动删除相应的小窗口,而不是直接滑过一个大窗口。我们为每个小时间窗口都设置一个计数器,大时间窗口的总请求次数就是每个小时间窗口的计数器的和。

如下图所示,假设我们的时间窗口是 5 秒,按秒将其划分成 5 个小窗口,时间每过一秒,时间窗口就滑过一秒:

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每次处理请求时,都需要计算所有小时间窗口的计数器的和,考虑到性能问题,划分的小时间窗口不宜过多,譬如限流条件是每小时 N 个,可以按分钟划分为 60 个窗口,而不是按秒划分成 3600 个。当然如果不考虑性能问题, 划分粒度越细,限流效果就越平滑

如果划分粒度越粗,限流效果就越不精确,当划分粒度为 1 时,滑动窗口算法就退化成了固定窗口算法。时间窗口细到一定地步时,意味着每个时间窗口中只能容纳一个请求,这样我们可以省略计数器,只记录每个请求的时间,然后统计一段时间内的请求数有多少个即可。具体的实现可以参考Redis sorted set 技巧 和Sliding window log 算法。

3.2 示例

在TCP协议中,滑动窗口的滑动是以字节为单位的,在TCP三次握手的前两次协商好窗口大小。发送方可以同时发送多个数据分组,每次发送的数据都会被限制在窗口大小内。通过滑动窗口,可以大幅度提升网络吞吐量。

在使用滑动窗口的过程中,TCP 报文是怎么确保数据包按次序到达且不丢数据呢?

事实上,所有的数据帧都是有编号的,TCP 并不会为每个报文段都回复 ACK 响应,它会对多个报文段回复一次 ACK。举个例子,有三个报文段 A、B、C,发送方先发送了B、C,接收方则必须等待 A 报文段到达,如果一定时间内仍未等到 A 报文段,那么 B、C 也会被丢弃,发送方会发起重试。如果已接收到 A 报文段,那么将会回复发送方一次 ACK 确认。

我们通过一个示例更好的理解下滑动窗口。假定发送方以每次三个数据包的方式发送数据,也就是说,窗口大小为3:

  1. 发送方发送序列号为1、2、3的三个数据包;
  2. 接收方成功接收数据包,用序列号4确认;
  3. 发送方收到确认,继续以窗口大小3发送数据;
  4. 当接收方要求降低或者增大网络流量时,可以对窗口大小进行减小或者增加;
  5. 比如减少窗口大小为2,则每一次发送两个数据包;
  6. 如果接收方要求窗口大小为0,表明接收方已经接收了全部数据,或者接收方没有时间读取数据,要求暂停发送。则发送方收到携带窗口号为0的确认后,就会停止发送数据。

四、总结

本章,我对TCP协议的底层原理进行了讲解,包含TCP连接的三次握手、四次挥手,以及TCP重发机制以及滑动窗口协议。

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