传输层：TCP协议

TCP特性

1. 工作在传输层
2. 面向连接协议
3. 全双工协议
4. 半关闭
5. 错误检查
6. 将数据打包成段，排序
7. 确认机制
8. 数据恢复，重传
9. 流量控制，滑动窗口
10. 拥塞控制，慢启动和拥塞避免算法

TCP报文首部

TCP报文首部.jpg

• 源端口、目标端口：
  计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。源端口、目标端口是用16位表示的，可推算计算机的端口个数为2^16个
• 序列号：
  表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。由于序列号由32位表示，所以每2^32个字节，就会出现序列号回绕，再次从0开始
• 确认号：
  表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号
• 数据偏移：
  表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要指定这个TCP报文段到底有多长。它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。该字段的单位是32位（即4个字节为计算单位），4位二进制最大表示15，所以数据偏移也就是TCP首部最大60字节
• URG：
  表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。后面的紧急指针字段（urgent pointer）只有当URT=1时才有效
• ACK：
  表示是否签名的确认号字段是否有效。ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，签名的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段
• PSH：
  提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将接收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中
• RST：
  如果收到一个RST=1的报文，说明与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应，带RST标志的TCP报文段称为复位报文段
• SYN：
  在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1，带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段
• FIN：
  表示通知对方本段要关闭连接了，标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，即告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段
• 窗口大小：
  表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量
• 校验和：
  提供额外的可靠性
• 紧急指针：
  标记紧急数据在数据字段中的位置
• 选项部分：
  其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，选项部分最长为：（2^4-1）*4-20=40字节
  常见选项：
  • 最大报文段长度：Maxium Segment Size，MSS
     指明自己期望对方发送TCP报文段时哪个数据字段的长度。默认是536字节。数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。MSS不宜设的太大，也不宜设的太小。若选择太小，极端情况下，TCP报文段只含有1字节数据，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，网络的利用率就不会超过1/41。若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片装配成原来的TCP报文段。当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此MSS应尽可能大，只要在IP层传输时不需要再分片就行。在连接建立过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段。MSS只出现在SYN报文中。即：MSS出现在SYN=1的报文段中
  • 窗口扩大：Windows Scaling
     为了扩大窗口，由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项
  • 时间戳：Timestamps
     可以用来计算RTT（往返时间），发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32位表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文

TCP协议PORT

• 传输层通过port号，确定应用层协议
• Port number：
• tcp：传输控制协议，面向两家的协议；通信前需要建立虚拟链路；结束后拆除链路
   0-65535
• udp：User Datagram Protocol，无连接的协议
   0-65535
• IANA：互联网数字分配机构（负责域名，数字资源，协议分配）
  • 0-1023：
     系统端口或特权端口（仅管理员可用），众所周知，永久的分配给固定的系统应用使用，22/tcp（ssh），25/tcp（smtp），53/tcp/udp（dns），69/udp（tftp），80/tcp（http），443/tcp（https）
  • 1024-49151：
     用户端口或注册端口，但要求并不严格，分配给程序注册为某应用使用，1433/tcp（SqlServer），1521/tcp（Oracle），3306/tcp（mysql），11211/tcp/udp（memcached）
  • 49152-65535：
     动态端口或私有端口，客户端程序随机使用的端口
  • 其范围的定义：/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

TCP三次握手

三次握手.jpg

TCP四次挥手

四次挥手.jpg

有限状态机FSM：Finite State Machine

• CLOSED 没有任何连接状态
• LISTEN 侦听状态，等待来自远方TCP端口的连接请求
• SYN-SENT 在发送连接请求后，等待对方确认
• SYN-RECEIVED 在收到和发送一个连接请求后，等待对方确认
• ESTABLISHED 代表传输连接建立，双方进入数据传送状态
• FIN-WAIT-1 主动关闭，主机已发送关闭连接请求，等待对方确认
• FIN-WAIT2 主动关闭，主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
• TIME-WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
• CLOSE-WAIT 被动关闭，收到对方发来的关闭连接请求，并已确认
• LAST-ACK 被动关闭，等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失
• CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认

有限状态机：

客户端先发送一个FIN给服务端，自己进入了FIN_WAIT_1状态，这时等待接收服务端的报文，该报文会有三种可能：

1. 只有服务端的ACK，客户端会进入FIN_WAIT_2状态，后续当收到服务端的FIN时，回应发送一个ACK，会进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL（TCP报文段在网络中的最大生存时间，RFC1122标准的建议值是2min）；客户端等待2MSL，是为了当最后一个ACK丢失时，可以再发送一次。因为服务端在等待超时后会再发送一个FIN给客户端，进而客户端知道ACK已丢失
2. 只有服务端的FIN，回应一个ACK给服务端，进入CLOSING状态，然后接收到服务端的ACK时，进入TIME_WAIT状态
3. 同时收到服务端的ACK和FIN，直接进入TIME_WAIT状态

客户端的典型状态转移：

• 客户端通过 connect 系统调用主动与服务器建立连接，connect 系统调用首先给服务器发送一个同步报文，使连接转移到SYN_SENT状态
  • 此后 connect 系统调用可能因为如下两个原因失败返回：
    1. 如果 connect 连接的目标端口不存在（未被任何进程监听），或者该端口仍被处于TIME_WAIT状态的连接所占用，则服务器将给客户端发送一个复位报文段， connect 调用失败
    2. 如果目标端口存在，但 connect 在超时时间内未收到服务器的确认报文段，则 connect 调用失败
• connect 调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认，则connect调用成功返回，连接转移至ESTABLISHED状态
• 当客户端执行主动关闭时，它将向服务器发送一个结束报文段，同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段，则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接（发送结束报文段），则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态
• 客户端从FIN_WAITZ_1状态可能直接进入TIME_WAIT状态（不经过FIN_WAIT_2状态），前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段（而不是先收到确认报文段，再收到结束报文段）
• 处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段，才能转移至TIME_WAIT状态，否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据，连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在：客户端执行半关闭后，未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管，可称之为孤儿连接（和孤儿进程类似）
• Linux为了防止孤儿连接长时间留存在内核中，定义了两个内存参数：
  1. /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans 指定内核能接管的孤儿连接数目
  2. /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 指定孤儿连接在内核中生存的时间

TCP超时重传

• 异常网络状况下（开始出现超时或丢包），TCP控制数据传输以保证其承诺的可靠服务
• TCP服务必须能够重传超时时间内未收到确认的TCP报文段。为此，TCP模块为每个TCP报文段都维护一个重传定时器，该定时器在TCP报文段第一次被发送时启动。如果超时时间内未收到接收方的应答，TCP模块将重传TCP报文段并重置定时器。至于下次重传的超时时间如何选择，以及最多执行多少次重传，就是TCP的重传策略
• 与TCP超时重传相关的两个内核参数：
  1. /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries1，指定在底层IP接管之前TCP最少执行的重传次数，默认值是3
  2. /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2，指定连接放弃前TCP最多可以执行的重传次数，默认值15（一般对应13~30min）

拥塞控制

• 网络中的带宽、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可承受的能力，网络的性能就会变坏。这种情况就叫做拥塞
• TCP为提高网络利用率，降低丢包率，并保证网络资源对每条数据流的公平性。即所谓的拥塞控制
• TCP拥塞控制的标准文档是RFC 5681，其中详细介绍了拥塞控制的四个部分：慢启动（slow start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快速重传（fast retransmit）和快速恢复（fast recovery）。拥塞控制算法在Linux下有多种实现，比如reno算法、vegas算法和cubic算法等。它们或者部分或者全部实现了上述四个部分
• 当前所使用的拥塞控制算法：
  /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control