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【计算机网络】第五章:运输层

简介: 难啃的硬骨头,那就慢慢啃
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5.1 运输层概述

通过物理层、数据链路层以及网络层的互相帮助,我们已经把数据成功从计算机A传送到计算机B了,可是,计算机B里面有各种各样的应用程序,计算机该如何知道这些数据是给谁的呢?

这个时候,端口(Port)这个家伙就上场了,也就是说,我们在从计算机A传数据给计算表B的时候,还得指定一个端口,以供特定的应用程序来接受处理。

也就是说,传输层的功能就是建立端口到端口的通信。相比网络层的功能是建立主机到主机的通信。

也就是说,只有有了IP和端口,我们才能进行准确着通信。这个时候可能有人会说,我输入IP地址的时候并没有指定一个端口啊。其实呢,对于有些传输协议,已经有设定了一些默认端口了。例如http的传输默认端口是80,这些端口信息也会包含在数据包里的。

传输层最常见的两大协议是 TCP 协议和 UDP 协议,其中 TCP 协议与 UDP 最大的不同就是 TCP 提供可靠的传输,而 UDP 提供的是不可靠传输。

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5.2 运输层端口号、服用与分用的概念

运输层为不同主机之间的两个应用进程实现通信服务,但是一台主机上可能有很多进程,如果找到要通信的是哪个进程呢?

端口号

TCP/IP体系的运输层使用端口号来区分应用层的不同应用进程。

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复用和分用

复用:发送发的不同进程可以使用同一个运输层协议传送数据

分用:接收方的运输层在剥去报文的首部后能够把这些数据正确交付目的应用进程。

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5.3 UDP和TCP的区别

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TCP 和 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。

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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

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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。

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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. 首部开销

  • TCP 首部长度较长,会有一定的开销,首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节,如果使用了「选项」字段则会变长的。
  • UDP 首部只有 8 个字节,并且是固定不变的,开销较小。

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6. 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。

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7. 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。

5.4 重传机制

超时重传

重传机制的其中一个方式,就是在发送数据时,设定一个定时器,当超过指定的时间后,没有收到对方的 ACK 确认应答报文,就会重发该数据,也就是我们常说的超时重传

TCP 会在以下两种情况发生超时重传:

  • 数据包丢失
  • 确认应答丢失

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超时时间应该设置为多少呢?

我们先来了解一下什么是 RTT(Round-Trip Time 往返时延),从下图我们就可以知道:

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RTT 指的是数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值,也就是包的往返时间。

超时重传时间是以 RTO (Retransmission Timeout 超时重传时间)表示。

假设在重传的情况下,超时时间 RTO 「较长或较短」时,会发生什么事情呢?

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上图中有两种超时时间不同的情况:

  • 当超时时间 RTO 较大时,重发就慢,丢了老半天才重发,没有效率,性能差;
  • 当超时时间 RTO 较小时,会导致可能并没有丢就重发,于是重发的就快,会增加网络拥塞,导致更多的超时,更多的超时导致更多的重发。

精确的测量超时时间 RTO 的值是非常重要的,这可让我们的重传机制更高效。

根据上述的两种情况,我们可以得知,超时重传时间 RTO 的值应该略大于报文往返 RTT 的值

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快速重传

TCP 还有另外一种快速重传(Fast Retransmit)机制,它不以时间为驱动,而是以数据驱动重传

快重传就是使发送方尽快进行重传,而不是等超时重传计时器超时在重传

  • 要求接收方不要等待自己发送数据时才进行捎带确认,而是要立即发送确认
  • 即使收到了失序的报文段也要立即发出对已收到的报文段的重复确认
  • 发送方一旦收到了3个连续的重复确认,就将响应的报文段立即重传,而不是等待该报文段的超时重传计时器超时后再重传。(立即)

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快速重传机制只解决了一个问题,就是超时时间的问题,但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候,是重传一个,还是重传所有的问题。

举个例子,假设发送方发了 6 个数据,编号的顺序是 Seq1 ~ Seq6 ,但是 Seq2、Seq3 都丢失了,那么接收方在收到 Seq4、Seq5、Seq6 时,都是回复 ACK2 给发送方,但是发送方并不清楚这连续的 ACK2 是接收方收到哪个报文而回复的, 那是选择重传 Seq2 一个报文,还是重传 Seq2 之后已发送的所有报文呢(Seq2、Seq3、 Seq4、Seq5、 Seq6) 呢?

  • 如果只选择重传 Seq2 一个报文,那么重传的效率很低。因为对于丢失的 Seq3 报文,还得在后续收到三个重复的 ACK3 才能触发重传。
  • 如果选择重传 Seq2 之后已发送的所有报文,虽然能同时重传已丢失的 Seq2 和 Seq3 报文,但是 Seq4、Seq5、Seq6 的报文是已经被接收过了,对于重传 Seq4 ~Seq6 折部分数据相当于做了一次无用功,浪费资源。

可以看到,不管是重传一个报文,还是重传已发送的报文,都存在问题。

为了解决不知道该重传哪些 TCP 报文,于是就有 SACK 方法

SACK 方法

还有一种实现重传机制的方式叫:SACK( Selective Acknowledgment), 选择性确认

这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西,它可以将已收到的数据的信息发送给「发送方」,这样发送方就可以知道哪些数据收到了,哪些数据没收到,知道了这些信息,就可以只重传丢失的数据

如下图,发送方收到了三次同样的 ACK 确认报文,于是就会触发快速重发机制,通过 SACK 信息发现只有 200~299 这段数据丢失,则重发时,就只选择了这个 TCP 段进行重复。

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Duplicate SACK

Duplicate SACK 又称 D-SACK,其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。

通过这种机制发送方可以知道确认报文没收到是因为发送方的数据包丢失了还是接收方发送的数据包丢失了。

ACK丢包

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  • 「接收方」发给「发送方」的两个 ACK 确认应答都丢失了,所以发送方超时后,重传第一个数据包(3000 ~ 3499)
  • 于是「接收方」发现数据是重复收到的,于是回了一个 SACK = 3000~3500,告诉「发送方」 3000~3500 的数据早已被接收了,因为 ACK 都到了 4000 了,已经意味着 4000 之前的所有数据都已收到,所以这个 SACK 就代表着 D-SACK
  • 这样「发送方」就知道了,数据没有丢,是「接收方」的 ACK 确认报文丢了

    网络延时

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  • 数据包(1000~1499) 被网络延迟了,导致「发送方」没有收到 Ack 1500 的确认报文。
  • 而后面报文到达的三个相同的 ACK 确认报文,就触发了快速重传机制,但是在重传后,被延迟的数据包(1000~1499)又到了「接收方」;
  • 所以「接收方」回了一个 SACK=1000~1500,因为 ACK 已经到了 3000,所以这个 SACK 是 D-SACK,表示收到了重复的包。
  • 这样发送方就知道快速重传触发的原因不是发出去的包丢了,也不是因为回应的 ACK 包丢了,而是因为网络延迟了。

可见,D-SACK 有这么几个好处:

  1. 可以让「发送方」知道,是发出去的包丢了,还是接收方回应的 ACK 包丢了;
  2. 可以知道是不是「发送方」的数据包被网络延迟了;
  3. 可以知道网络中是不是把「发送方」的数据包给复制了;

总结

如果ACK>SACK,就说明收到了重复的数据,如果发生超时重传是因为ACK的包丢了。如果发生快速重传说明数据包丢了或者被网络延迟了。如果快速重传之后又收到了重复的数据说明是网络延迟了,否则就是数据包丢了。

5.5 TCP的流量控制

流量控制

发送方不能无脑的发数据给接收方,要考虑接收方处理能力。

如果一直无脑的发数据给对方,但对方处理不过来,那么就会导致触发重发机制,从而导致网络流量的无端的浪费。

为了解决这种现象发生,TCP 提供一种机制可以让「发送方」根据「接收方」的实际接收能力控制发送的数据量,这就是所谓的流量控制。

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窗口关闭

在前面我们都看到了,TCP 通过让接收方指明希望从发送方接收的数据大小(窗口大小)来进行流量控制。

如果窗口大小为 0 时,就会阻止发送方给接收方传递数据,直到窗口变为非 0 为止,这就是窗口关闭。

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接收方处理完数据后,窗口增大了,于是想通告当前窗口大小给发送方,但是该通告窗口的报文丢失了。

如果不做任何措施,那么双方就回一直持续等待下去,造成了死锁

TCP如何解决潜在的死锁现象

为了解决这个问题,TCP 为每个连接设有一个持续定时器,只要 TCP 连接一方收到对方的零窗口通知,就启动持续计时器。

如果持续计时器超时,就会发送窗口探测 ( Window probe ) 报文,而对方在确认这个探测报文时,给出自己现在的接收窗口大小。

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  • 如果接收窗口仍然为 0,那么收到这个报文的一方就会重新启动持续计时器;
  • 如果接收窗口不是 0,那么死锁的局面就可以被打破了。

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滑动窗口

为什么要引入窗口

TCP是没发送一个数据,都要进行以此确认应答。只有当上一个数据包收到应答之后,才能继续发下一个数据包。但这样效率是很低的。

如果你说完一句话,我在处理其他事情,没有及时回复你,那你不是要干等着我做完其他事情后,我回复你,你才能说下一句话,很显然这不现实。

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为解决这个问题,TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下,它也不会降低网络通信的效率。

那么有了窗口,就可以指定窗口大小,窗口大小就是指无需等待确认应答,而可以继续发送数据的最大值

窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间,发送方主机在等到确认应答返回之前,必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答,此时数据就可以从缓存区清除。

假设窗口大小为 3 个 TCP 段,那么发送方就可以「连续发送」 3 个 TCP 段,并且中途若有 ACK 丢失,可以通过「下一个确认应答进行确认」。如下图:

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图中的 ACK 600 确认应答报文丢失,也没关系,因为可以通过下一个确认应答进行确认,只要发送方收到了 ACK 700 确认应答,就意味着 700 之前的所有数据「接收方」都收到了。这个模式就叫累计确认或者累计应答

窗口大小由哪一方决定

TCP头部里有一个字段叫Window,也就是窗口大小

这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接受数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。

所以,通常窗口的大小是由接收方的窗口大小来决定的。

发送方发送的数据大小不能超过接收方的窗口大小,否则接收方就无法正常接收到数据。

发送方的窗口

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描述窗口状态

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接收方窗口

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接收窗口和发送窗口的大小是相等的吗?

并不是完全相等,接收窗口的大小是约等于发送窗口的大小的。

因为滑动窗口并不是一成不变的。比如,当接收方的应用进程读取数据的速度非常快的话,这样的话接收窗口可以很快的就空缺出来。那么新的接收窗口大小,是通过 TCP 报文中的 Windows 字段来告诉发送方。那么这个传输过程是存在时延的,所以接收窗口和发送窗口是约等于的关系

实现TCP可靠传输

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5.6 TCP的拥塞控制

为什么要实现拥塞控制

为什么要有拥塞控制呀,不是有流量控制了吗?

前面的流量控制是避免「发送方」的数据填满「接收方」的缓存,但是并不知道网络的中发生了什么。

一般来说,计算机网络都处在一个共享的环境。因此也有可能会因为其他主机之间的通信使得网络拥堵。

在网络出现拥堵时,如果继续发送大量数据包,可能会导致数据包时延、丢失等,这时 TCP 就会重传数据,但是一重传就会导致网络的负担更重,于是会导致更大的延迟以及更多的丢包,这个情况就会进入恶性循环被不断地放大....

所以,TCP 不能忽略网络上发生的事,它被设计成一个无私的协议,当网络发送拥塞时,TCP 会自我牺牲,降低发送的数据量。

于是,就有了拥塞控制,控制的目的就是避免「发送方」的数据填满整个网络。

为了在「发送方」调节所要发送数据的量,定义了一个叫做「拥塞窗口」的概念。

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什么是拥塞窗口?和发送窗口有什么关系呢?

拥塞窗口 cwnd是发送方维护的一个的状态变量,它会根据网络的拥塞程度动态变化的

我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系,那么由于加入了拥塞窗口的概念后,此时发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd),也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。

拥塞窗口 cwnd 变化的规则:

  • 只要网络中没有出现拥塞,cwnd 就会增大;
  • 但网络中出现了拥塞,cwnd 就减少;
那么怎么知道当前网络是否出现了拥塞呢?

其实只要「发送方」没有在规定时间内接收到 ACK 应答报文,也就是发生了超时重传,就会认为网络出现了拥塞。

慢启动

TCP 在刚建立连接完成后,首先是有个慢启动的过程,这个慢启动的意思就是一点一点的提高发送数据包的数量,如果一上来就发大量的数据,这不是给网络添堵吗?

慢启动的算法记住一个规则就行:当发送方每收到一个 ACK,拥塞窗口 cwnd 的大小就会加 1。

这里假定拥塞窗口 cwnd 和发送窗口 swnd 相等,下面举个栗子:

  • 连接建立完成后,一开始初始化 cwnd = 1,表示可以传一个 MSS 大小的数据。
  • 当收到一个 ACK 确认应答后,cwnd 增加 1,于是一次能够发送 2 个
  • 当收到 2 个的 ACK 确认应答后, cwnd 增加 2,于是就可以比之前多发2 个,所以这一次能够发送 4 个
  • 当这 4 个的 ACK 确认到来的时候,每个确认 cwnd 增加 1, 4 个确认 cwnd 增加 4,于是就可以比之前多发 4 个,所以这一次能够发送 8 个。

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慢启动不是说这个算法很慢,而是刚开始满,后来就非常快,呈指数型的增长。

那慢启动涨到什么时候是个头呢?

有一个叫慢启动门限 ssthresh (slow start threshold)状态变量。

  • cwnd < ssthresh 时,使用慢启动算法。
  • cwnd >= ssthresh 时,就会使用「拥塞避免算法」

拥塞避免算法

前面说道,当拥塞窗口 cwnd 「超过」慢启动门限 ssthresh 就会进入拥塞避免算法。

一般来说 ssthresh 的大小是 65535 字节。

那么进入拥塞避免算法后,它的规则是:每当收到一个 ACK 时,cwnd 增加 1/cwnd。

接上前面的慢启动的栗子,现假定 ssthresh8

  • 当 8 个 ACK 应答确认到来时,每个确认增加 1/8,8 个 ACK 确认 cwnd 一共增加 1,于是这一次能够发送 9 个 MSS 大小的数据,变成了线性增长。

拥塞避免算法的变化过程如下图:

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拥塞避免算法讲慢启动算法的指数增长变成了线性增长,但还是在增长,只不过增长的很慢。

拥塞避免算法通过缓慢增加窗口大小来实现拥塞避免,可以及时的发现网络是否出现拥塞。

就这么一直增长着后,网络就会慢慢进入了拥塞的状况了,于是就会出现丢包现象,这时就需要对丢失的数据包进行重传。

当触发了重传机制,也就进入了「拥塞发生算法」

拥塞发生

当网络出现拥塞,也就是会发生数据包重传,重传机制主要有两种:

  • 超时重传
  • 快速重传

这两种使用的拥塞发送算法是不同的,接下来分别来说说。

发生超时重传的拥塞发生算法

当发生了「超时重传」,则就会使用拥塞发生算法。

这个时候,ssthresh 和 cwnd 的值会发生变化:

  • ssthresh 设为 cwnd/2
  • cwnd 重置为 1 (是恢复为 cwnd 初始化值,我这里假定 cwnd 初始化值 1)

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接着,就重新开始慢启动,慢启动是会突然减少数据流的。这真是一旦「超时重传」,马上回到解放前。但是这种方式太激进了,反应也很强烈,会造成网络卡顿。

就好像本来在秋名山高速漂移着,突然来个紧急刹车,轮胎受得了吗。。。

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那有没有更好的解决方案呢?

快速恢复

快速重传和快速恢复算法一般同时使用,快速恢复算法是认为,你还能收到 3 个重复 ACK 说明网络也不那么糟糕,所以没有必要像 RTO 超时那么强烈。

正如前面所说,进入快速恢复之前,cwndssthresh 已被更新了:

  • cwnd = cwnd/2 ,也就是设置为原来的一半;
  • ssthresh = cwnd;

然后,进入快速恢复算法如下:

  • 拥塞窗口 cwnd = ssthresh + 3 ( 3 的意思是确认有 3 个数据包被收到了);
  • 重传丢失的数据包;
  • 如果再收到重复的 ACK,那么 cwnd 增加 1;
  • 如果收到新数据的 ACK 后,把 cwnd 设置为第一步中的 ssthresh 的值,原因是该 ACK 确认了新的数据,说明从 duplicated ACK 时的数据都已收到,该恢复过程已经结束,可以回到恢复之前的状态了,也即再次进入拥塞避免状态;

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5.7 TCP连接建立

  • TCP是面向连接的协议,它基于运输连接来传送TCP报文段
  • TCP运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。
  • TCP运输连接有三个阶段:建立TCP连接、数据传送、释放TCP连接
  • TCP的运输连接管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行。

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TCP地连接建立要解决地三个问题

  1. 使TCP双方都能够确知对方的存在(我和你说话必须两个人都知道对方吧)
  2. 使TCP双方能够协商一些参数(如窗口最大值、是否使用窗口扩大选项和时间戳以及服务质量等) (说话用什么语言,声音大小)
  3. 使TCP双方能够对运输实体资源(如缓存大小、连接表中的项目等)进行分配。

TCP三次握手的过程

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  • 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 SYNACK 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器的数据,之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
  • 服务器收到客户端的应答报文后,也进入 ESTABLISHED 状态。

从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的,前两次握手是不可以携带数据的,这也是面试常问的题。

一旦完成三次握手,双方都处于 ESTABLISHED 状态,此时连接就已建立完成,客户端和服务端就可以相互发送数据了。

为什么是三次握手?不是两次、四次?

避免历史连接

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

我们考虑一个场景,客户端先发送了 SYN(seq = 90) 报文,然后客户端宕机了,而且这个 SYN 报文还被网络阻塞了,服务端并没有收到,接着客户端重启后,又重新向服务端建立连接,发送了 SYN(seq = 100) 报文(注意不是重传 SYN,重传的 SYN 的序列号是一样的)。

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客户端连续发送多次 SYN 建立连接的报文,在网络拥堵情况下:

  • 一个「旧 SYN 报文」比「最新的 SYN 」 报文早到达了服务端;
  • 那么此时服务端就会回一个 SYN + ACK 报文给客户端;
  • 客户端收到后可以根据自身的上下文,判断这是一个历史连接(序列号过期或超时),那么客户端就会发送 RST 报文给服务端,表示中止这一次连接。

如果是两次握手连接,就无法阻止历史连接,那为什么 TCP 两次握手为什么无法阻止历史连接呢?

我先直接说结论,主要是因为在两次握手的情况下,「被动发起方」没有中间状态给「主动发起方」来阻止历史连接,导致「被动发起方」可能建立一个历史连接,造成资源浪费

你想想,两次握手的情况下,「被动发起方」在收到 SYN 报文后,就进入 ESTABLISHED 状态,意味着这时可以给对方发送数据,但是「主动发起方」此时还没有进入 ESTABLISHED 状态,假设这次是历史连接,「主动发起方」判断到此次连接为历史连接,那么就会回 RST 报文来断开连接,而「被动发起方」在第一次握手的时候就进入 ESTABLISHED 状态,所以它可以发送数据的,但是它并不知道这个是历史连接,它只有在收到 RST 报文后,才会断开连接。

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可以看到,上面这种场景下,「被动发起方」在向「主动发起方」发送数据前,并没有阻止掉历史连接,导致「被动发起方」建立了一个历史连接,又白白发送了数据,妥妥地浪费了「被动发起方」的资源。

因此,要解决这种现象,最好就是在「被动发起方」发送数据前,也就是建立连接之前,要阻止掉历史连接,这样就不会造成资源浪费,而要实现这个功能,就需要三次握手

所以,TCP 使用三次握手建立连接的最主要原因是防止「历史连接」初始化了连接。

同步双方初始化序列号

TCP 协议的通信双方, 都必须维护一个「序列号」, 序列号是可靠传输的一个关键因素,它的作用:

  • 接收方可以去除重复的数据;
  • 接收方可以根据数据包的序列号按序接收;
  • 可以标识发送出去的数据包中, 哪些是已经被对方收到的(通过 ACK 报文中的序列号知道);

可见,序列号在 TCP 连接中占据着非常重要的作用,所以当客户端发送携带「初始序列号」的 SYN 报文的时候,需要服务端回一个 ACK 应答报文,表示客户端的 SYN 报文已被服务端成功接收,那当服务端发送「初始序列号」给客户端的时候,依然也要得到客户端的应答回应,这样一来一回,才能确保双方的初始序列号能被可靠的同步。

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四次握手其实也能够可靠的同步双方的初始化序号,但由于第二步和第三步可以优化成一步,所以就成了「三次握手」。

而两次握手只保证了一方的初始序列号能被对方成功接收,没办法保证双方的初始序列号都能被确认接收。

避免资源浪费

如果只有「两次握手」,当客户端的 SYN 请求连接在网络中阻塞,客户端没有接收到 ACK 报文,就会重新发送 SYN ,由于没有第三次握手,服务器不清楚客户端是否收到了自己发送的建立连接的 ACK 确认信号,所以每收到一个 SYN 就只能先主动建立一个连接,这会造成什么情况呢?

如果客户端的 SYN 阻塞了,重复发送多次 SYN 报文,那么服务器在收到请求后就会建立多个冗余的无效链接,造成不必要的资源浪费。

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5.8 TCP连接断开

四次挥手的过程

TCP双方都可以主动断开连接,断开连接后主机中的资源将被释放,四次挥手的过程如下图:

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  1. 客户端准备关闭连接,会发送一个TCP首部FIN标志位被置为1的报文,之后进入FIN_WAIT_1状态/
  2. 服务端收到该报文后,就像客户端发送ACK应答报文,接着服务器进入CLOSE_WAIT状态。
  3. 客户端收到服务端的ACK应答报文后,之后进入FIN_WAIT_2报文
  4. 等待服务端处理完数据后,也想客户端发送FIN报文,之后进入TIME_WAIT状态。
  5. 客户端收到FIN报文后,就回一个ACK应答报文,之后进入TIME_WAIT状态
  6. 服务端收到ACK应答报文后,就进入了CLOSE状态,至此服务端已经完成连接的关闭。
  7. 客户端在经过2MSL一段时间后,自动进入CLOSE状态,至此客户端也完成连接的关闭。

每个方向都要有一个FINACK,因此被称为四次挥手

为什么挥手需要四次

服务端在第二次挥手的ACK后第三次挥手的FIN之间需要完成数据的发送和处理,所以需要分开发送。

客户端在向服务端发送FIN时表示自己不在发送数据了但不表示自己不能接收数据。

服务器收到客户端的FIN报文后,先回一个ACK应答报文,而服务段可能还有数据需要处理和发送,等客户端不在发送数据时,才发送FIN报文给客户端来表示同意现在关闭连接。

为什么需要TIME_WAIT状态?

放置历史连接中的数据,被后面相同四元组的连接错误的接收

为了能更好的理解这个原因,我们先来了解序列号(SEQ)和初始序列号(ISN)。

  • 序列号,是 TCP 一个头部字段,标识了 TCP 发送端到 TCP 接收端的数据流的一个字节,因为 TCP 是面向字节流的可靠协议,为了保证消息的顺序性和可靠性,TCP 为每个传输方向上的每个字节都赋予了一个编号,以便于传输成功后确认、丢失后重传以及在接收端保证不会乱序。序列号是一个 32 位的无符号数,因此在到达 4G 之后再循环回到 0
  • 初始序列号,在 TCP 建立连接的时候,客户端和服务端都会各自生成一个初始序列号,它是基于时钟生成的一个随机数,来保证每个连接都拥有不同的初始序列号。初始化序列号可被视为一个 32 位的计数器,该计数器的数值每 4 微秒加 1,循环一次需要 4.55 小时

通过前面我们知道,序列号和初始化序列号并不是无限递增的,会发生回绕为初始值的情况,这意味着无法根据序列号来判断新老数据

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短,被延迟的数据包抵达后会发生什么呢?

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  • 服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报文,被网络延迟了。
  • 接着,服务端以相同的四元组重新打开了新连接,前面被延迟的 SEQ = 301 这时抵达了客户端,而且该数据报文的序列号刚好在客户端接收窗口内,因此客户端会正常接收这个数据报文,但是这个数据报文是上一个连接残留下来的,这样就产生数据错乱等严重的问题。

总之就是会发生数据错乱,拿到了不属于自己的数据包。

保证被动关闭一方能正确的关闭

假设最后一个ACK应答报文丢失了,客户端已经关闭了,但服务器迟迟接收不到应答,就会一直等待,并超时重传,重传后客户端接收到会直接发送一个RST来终止连接。

这样就会式服务器浪费不必要的资源。所以为了防止这种i情况出现,客户端必须要等足够长的时间,确保服务端能够收到ACK,如果服务端没有收到 ACK,那么就会触发 TCP 重传机制,服务端会重新发送一个 FIN,这样一去一来刚好两个 MSL 的时间。

客户端在收到服务端重传的 FIN 报文时,TIME_WAIT 状态的等待时间,会重置回 2MSL。

为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL?

MSL 是 Maximum Segment Lifetime,报文最大生存时间,它是任何报文在网络上存在的最长时间,超过这个时间报文将被丢弃。因为 TCP 报文基于是 IP 协议的,而 IP 头中有一个 TTL 字段,是 IP 数据报可以经过的最大路由数,每经过一个处理他的路由器此值就减 1,当此值为 0 则数据报将被丢弃,同时发送 ICMP 报文通知源主机。

MSL 与 TTL 的区别: MSL 的单位是时间,而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间,以确保报文已被自然消亡。

TIME_WAIT 等待 2 倍的 MSL,比较合理的解释是: 网络中可能存在来自发送方的数据包,当这些发送方的数据包被接收方处理后又会向对方发送响应,所以一来一回需要等待 2 倍的时间

比如,如果被动关闭方没有收到断开连接的最后的 ACK 报文,就会触发超时重发 FIN 报文,另一方接收到 FIN 后,会重发 ACK 给被动关闭方, 一来一去正好 2 个 MSL。

可以看到 2MSL时长 这其实是相当于至少允许报文丢失一次。比如,若 ACK 在一个 MSL 内丢失,这样被动方重发的 FIN 会在第 2 个 MSL 内到达,TIME_WAIT 状态的连接可以应对。

为什么不是 4 或者 8 MSL 的时长呢?你可以想象一个丢包率达到百分之一的糟糕网络,连续两次丢包的概率只有万分之一,这个概率实在是太小了,忽略它比解决它更具性价比。

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内,因为客户端的 ACK 没有传输到服务端,客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文,那么 2MSL 时间将重新计时

TCP四次挥手,可以变成三次吗?

当被动关闭方(上图的服务端)在 TCP 挥手过程中,「没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」,那么第二和第三次挥手就会合并传输,这样就出现了三次挥手。

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什么式TCP延迟确认机制?

当发送没有携带数据的 ACK,它的网络效率也是很低的,因为它也有 40 个字节的 IP 头 和 TCP 头,但却没有携带数据报文。 为了解决 ACK 传输效率低问题,所以就衍生出了 TCP 延迟确认。 TCP 延迟确认的策略:

  • 当有响应数据要发送时,ACK 会随着响应数据一起立刻发送给对方
  • 当没有响应数据要发送时,ACK 将会延迟一段时间,以等待是否有响应数据可以一起发送
  • 如果在延迟等待发送 ACK 期间,对方的第二个数据报文又到达了,这时就会立刻发送 ACK

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笔记参考:

小林coding (xiaolincoding.com) (超级棒)

计算机网络微课堂

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