TCP/IP详解

TCP和UDP处在同一层---运输层，但是TCP和UDP最不同的地方是，TCP提供了一种可靠的数据传输服务，TCP是面向连接的，也就是说，利用TCP通信的两台主机首先要经历一个“拨打电话”的过程，等到通信准备结束才开始传输数据，最后结束通话。所以TCP要比UDP可靠的多，UDP是把数据直接发出去，而不管对方是不是在收信，就算是UDP无法送达，也不会产生ICMP差错报文，这一经时重申了很多遍了。

把TCP保证可靠性的简单工作原理摘抄如下

• 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的 数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段（ segment）（参见图1 - 7）。在1 8.4节我们将看到TCP如何确定报文段的长度。
• 当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能 及时收到一个确认，将重发这个报文段。在第21章我们将了解TCP协议中自适应的超时 及重传策略。
• 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒，这将在1 9.3节讨论。
• TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输 过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， T P将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发端超时并重发）。
• 既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段 的到达也可能会失序。如果必要， TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
• TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

从这段话中可以看到，TCP中保持可靠性的方式就是超时重发，这是有道理的，虽然TCP也可以用各种各样的ICMP报文来处理这些，但是这也不是可靠的，最可靠的方式就是只要不得到确认，就重新发送数据报，直到得到对方的确认为止。

TCP的首部和UDP首部一样，都有发送端口号和接收端口号。但是显然，TCP的首部信息要比UDP的多，可以看到，TCP协议提供了发送和确认所需要的所有必要的信息。这在P171-173有详细地介绍。可以想象一个TCP数据的发送应该是如下的一个过程。

• 双方建立连接
• 发送方给接受方TCP数据报，然后等待对方的确认TCP数据报，如果没有，就重新发，如果有，就发送下一个数据报。
• 接受方等待发送方的数据报，如果得到数据报并检验无误，就发送ACK(确认)数据报，并等待下一个TCP数据报的到来。直到接收到FIN(发送完成数据报)
• 中止连接

可以想见，为了建立一个TCP连接，系统可能会建立一个新的进程（最差也是一个线程），来进行数据的传送

 

TCP是一个面向连接的协议，所以在连接双方发送数据之前，都需要首先建立一条连接。这和前面讲到的协议完全不同。前面讲的所有协议都只是发送数据而已，大多数都不关心发送的数据是不是送到，UDP尤其明显，从编程的角度来说，UDP编程也要简单的多----UDP都不用考虑数据分片。

书中用telnet登陆退出来解释TCP协议连接的建立和中止的过程，可以看到，TCP连接的建立可以简单的称为三次握手，而连接的中止则可以叫做四次握手。

1.连接的建立

在建立连接的时候，客户端首先向服务器申请打开某一个端口(用SYN段等于1的TCP报文)，然后服务器端发回一个ACK报文通知客户端请求报文收到，客户端收到确认报文以后再次发出确认报文确认刚才服务器端发出的确认报文（绕口么），至此，连接的建立完成。这就叫做三次握手。如果打算让双方都做好准备的话，一定要发送三次报文，而且只需要三次报文就可以了。

可以想见，如果再加上TCP的超时重传机制，那么TCP就完全可以保证一个数据包被送到目的地。

2.结束连接

TCP有一个特别的概念叫做half-close，这个概念是说，TCP的连接是全双工（可以同时发送和接收）连接，因此在关闭连接的时候，必须关闭传和送两个方向上的连接。客户机给服务器一个FIN为1的TCP报文，然后服务器返回给客户端一个确认ACK报文，并且发送一个FIN报文，当客户机回复ACK报文后（四次握手），连接就结束了。

3.最大报文长度

在建立连接的时候，通信的双方要互相确认对方的最大报文长度(MSS)，以便通信。一般这个SYN长度是MTU减去固定IP首部和TCP首部长度。对于一个以太网，一般可以达到1460字节。当然如果对于非本地的IP，这个MSS可能就只有536字节，而且，如果中间的传输网络的MSS更佳的小的话，这个值还会变得更小。

4.TCP的状态迁移图

书P182页给出了TCP的状态图，这是一个看起来比较复杂的状态迁移图，因为它包含了两个部分---服务器的状态迁移和客户端的状态迁移，如果从某一个角度出发来看这个图，就会清晰许多，这里面的服务器和客户端都不是绝对的，发送数据的就是客户端，接受数据的就是服务器。

4.1.客户端应用程序的状态迁移图

客户端的状态可以用如下的流程来表示：

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

以上流程是在程序正常的情况下应该有的流程，从书中的图中可以看到，在建立连接时，当客户端收到SYN报文的ACK以后，客户端就打开了数据交互地连接。而结束连接则通常是客户端主动结束的，客户端结束应用程序以后，需要经历FIN_WAIT_1，FIN_WAIT_2等状态，这些状态的迁移就是前面提到的结束连接的四次握手。

4.2.服务器的状态迁移图

服务器的状态可以用如下的流程来表示：

CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

在建立连接的时候，服务器端是在第三次握手之后才进入数据交互状态，而关闭连接则是在关闭连接的第二次握手以后（注意不是第四次）。而关闭以后还要等待客户端给出最后的ACK包才能进入初始的状态。

4.3.其他状态迁移

书中的图还有一些其他的状态迁移，这些状态迁移针对服务器和客户端两方面的总结如下

 

1. LISTEN->SYN_SENT，对于这个解释就很简单了，服务器有时候也要打开连接的嘛。
2. SYN_SENT->SYN收到，服务器和客户端在SYN_SENT状态下如果收到SYN数据报，则都需要发送SYN的ACK数据报并把自己的状态调整到SYN收到状态，准备进入ESTABLISHED
3. SYN_SENT->CLOSED，在发送超时的情况下，会返回到CLOSED状态。
4. SYN_收到->LISTEN，如果受到RST包，会返回到LISTEN状态。
5. SYN_收到->FIN_WAIT_1，这个迁移是说，可以不用到ESTABLISHED状态，而可以直接跳转到FIN_WAIT_1状态并等待关闭。

4.4.2MSL等待状态

书中给的图里面，有一个TIME_WAIT等待状态，这个状态又叫做2MSL状态，说的是在TIME_WAIT2发送了最后一个ACK数据报以后，要进入TIME_WAIT状态，这个状态是防止最后一次握手的数据报没有传送到对方那里而准备的（注意这不是四次握手，这是第四次握手的保险状态）。这个状态在很大程度上保证了双方都可以正常结束，但是，问题也来了。

由于插口的2MSL状态（插口是IP和端口对的意思，socket），使得应用程序在2MSL时间内是无法再次使用同一个插口的，对于客户程序还好一些，但是对于服务程序，例如httpd，它总是要使用同一个端口来进行服务，而在2MSL时间内，启动httpd就会出现错误（插口被使用）。为了避免这个错误，服务器给出了一个平静时间的概念，这是说在2MSL时间内，虽然可以重新启动服务器，但是这个服务器还是要平静的等待2MSL时间的过去才能进行下一次连接。

4.5.FIN_WAIT_2状态

这就是著名的半关闭的状态了，这是在关闭连接时，客户端和服务器两次握手之后的状态。在这个状态下，应用程序还有接受数据的能力，但是已经无法发送数据，但是也有一种可能是，客户端一直处于FIN_WAIT_2状态，而服务器则一直处于WAIT_CLOSE状态，而直到应用层来决定关闭这个状态。

5.RST，同时打开和同时关闭

RST是另一种关闭连接的方式，应用程序应该可以判断RST包的真实性，即是否为异常中止。而同时打开和同时关闭则是两种特殊的TCP状态，发生的概率很小。

6.TCP服务器设计

前面曾经讲述过UDP的服务器设计，可以发现UDP的服务器完全不需要所谓的并发机制，它只要建立一个数据输入队列就可以。但是TCP不同，TCP服务器对于每一个连接都需要建立一个独立的进程（或者是轻量级的，线程），来保证对话的独立性。所以TCP服务器是并发的。而且TCP还需要配备一个呼入连接请求队列（UDP服务器也同样不需要），来为每一个连接请求建立对话进程，这也就是为什么各种TCP服务器都有一个最大连接数的原因。而根据源主机的IP和端口号码，服务器可以很轻松的区别出不同的会话，来进行数据的分发。

掌握本章的状态迁移图才是学习本章的关键。

 

 

目前建立在TCP协议上的网络协议特别多，有telnet，ssh，有ftp，有http等等。这些协议又可以根据数据吞吐量来大致分成两大类：(1)交互数据类型，例如telnet，ssh，这种类型的协议在大多数情况下只是做小流量的数据交换，比如说按一下键盘，回显一些文字等等。(2)数据成块类型，例如ftp，这种类型的协议要求TCP能尽量的运载数据，把数据的吞吐量做到最大，并尽可能的提高效率。针对这两种情况，TCP给出了两种不同的策略来进行数据传输。

1.TCP的交互数据流

对于交互性要求比较高的应用，TCP给出两个策略来提高发送效率和减低网络负担：（1）捎带ACK。(2)Nagle算法（一次尽量多的发数据）。通常，在网络速度很快的情况下，比如用lo接口进行telnet通信，当按下字母键并要求回显的时候，客户端和服务器将经历 发送按键数据->服务器发送按键数据的ack -> 服务器端发送回显数据->客户端发送回显数据的ACK的过程，而其中的数据流量将是40bit + 41bit+41bit+40bit = 162bit，如果在广域网里面，这种小分组的TCP流量将会造成很大的网络负担。

1.1.捎带ACK的发送方式

这个策略是说，当主机收到远程主机的TCP数据报之后，通常不马上发送ACK数据报，而是等上一个短暂的时间，如果这段时间里面主机还有发送到远程主机的TCP数据报，那么就把这个ACK数据报“捎带”着发送出去，把本来两个TCP数据报整合成一个发送。一般的，这个时间是200ms。可以明显地看到这个策略可以把TCP数据报的利用率提高很多。

1.2.Nagle算法

上过bbs的人应该都会有感受，就是在网络慢的时候发贴，有时键入一串字符串以后，经过一段时间，客户端“发疯”一样突然回显出很多内容，就好像数据一下子传过来了一样，这就是Nagle算法的作用。

Nagle算法是说，当主机A给主机B发送了一个TCP数据报并进入等待主机B的ACK数据报的状态时，TCP的输出缓冲区里面只能有一个TCP数据报，并且，这个数据报不断地收集后来的数据，整合成一个大的数据报，等到B主机的ACK包一到，就把这些数据“一股脑”的发送出去。虽然这样的描述有些不准确，但还算形象和易于理解，我们同样可以体会到这个策略对于低减网络负担的好处。

在编写插口程序的时候，可以通过TCP_NODELAY来关闭这个算法。并且，使用这个算法看情况的，比如基于TCP的X窗口协议，如果处理鼠标事件时还是用这个算法，那么“延迟”可就非常大了。

2.TCP的成块数据流

对于FTP这样对于数据吞吐量有较高要求的要求，将总是希望每次尽量多的发送数据到对方主机，就算是有点“延迟”也无所谓。TCP也提供了一整套的策略来支持这样的需求。TCP协议中有16个bit表示“窗口”的大小，这是这些策略的核心。

2.1.传输数据时ACK的问题

在解释滑动窗口前，需要看看ACK的应答策略，一般来说，发送端发送一个TCP数据报，那么接收端就应该发送一个ACK数据报。但是事实上却不是这样，发送端将会连续发送数据尽量填满接受方的缓冲区，而接受方对这些数据只要发送一个ACK报文来回应就可以了，这就是ACK的累积特性，这个特性大大减少了发送端和接收端的负担。

2.2.滑动窗口

滑动窗口本质上是描述接受方的TCP数据报缓冲区大小的数据，发送方根据这个数据来计算自己最多能发送多长的数据。如果发送方收到接受方的窗口大小为0的TCP数据报，那么发送方将停止发送数据，等到接受方发送窗口大小不为0的数据报的到来。书中的P211和P212很好的解释了这一点。

关于滑动窗口协议，书上还介绍了三个术语，分别是：

1. 窗口合拢：当窗口从左边向右边靠近的时候，这种现象发生在数据被发送和确认的时候。
2. 窗口张开：当窗口的右边沿向右边移动的时候，这种现象发生在接受端处理了数据以后。
3. 窗口收缩：当窗口的右边沿向左边移动的时候，这种现象不常发生。

TCP就是用这个窗口，慢慢的从数据的左边移动到右边，把处于窗口范围内的数据发送出去（但不用发送所有，只是处于窗口内的数据可以发送。）。这就是窗口的意义。图20-6解释了这一点。窗口的大小是可以通过socket来制定的，4096并不是最理想的窗口大小，而16384则可以使吞吐量大大的增加。

2.3.数据拥塞

上面的策略用于局域网内传输还可以，但是用在广域网中就可能会出现问题，最大的问题就是当传输时出现了瓶颈（比如说一定要经过一个slip低速链路）所产生的大量数据堵塞问题（拥塞），为了解决这个问题，TCP发送方需要确认连接双方的线路的数据最大吞吐量是多少。这，就是所谓的拥塞窗口。

拥塞窗口的原理很简单，TCP发送方首先发送一个数据报，然后等待对方的回应，得到回应后就把这个窗口的大小加倍，然后连续发送两个数据报，等到对方回应以后，再把这个窗口加倍（先是2的指数倍，到一定程度后就变成现行增长，这就是所谓的慢启动），发送更多的数据报，直到出现超时错误，这样，发送端就了解到了通信双方的线路承载能力，也就确定了拥塞窗口的大小，发送方就用这个拥塞窗口的大小发送数据。要观察这个现象是非常容易的，我们一般在下载数据的时候，速度都是慢慢“冲起来的”