【JavaEE初阶】 TCP协议详细解析

简介: 【JavaEE初阶】 TCP协议详细解析


🌲TCP协议的概念

TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

🚩TCP协议段格式

  • 源/目的端口号:表示数据是从哪个进程来,到哪个进程去;
  • 32位序号/32位确认号:后面详细讲;
  • 4位TCP报头长度:表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节);所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
  • 6位标志位:
    URG:紧急指针是否有效
    ACK:确认号是否有效
    PSH:提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
    RST:对方要求重新建立连接;我们把携带RST标识的称为复位报文段
    SYN:请求建立连接;我们把携带SYN标识的称为同步报文段
    FIN:通知对方,本端要关闭了,我们称携带FIN标识的为结束报文段
  • 16位窗口大小:后面再说
  • 16位校验和:发送端填充,CRC校验。接收端校验不通过,则认为数据有问题。此处的检验和不
    光包含TCP首部,也包含TCP数据部分
  • 16位紧急指针:标识哪部分数据是紧急数据;
  • 40字节头部选项:这里博主不做讲解

🚩TCP的特性

  • TCP提供一种面向连接的, 可靠的字节流服务;
  • 在一个TCP连接中,仅有两方进行彼此通信。广播和多播不能用于TCP;
  • TCP使用校验和, 确认和重传机制来保证可靠传输;
  • TCP使用累积确认
  • TCP使用滑动窗口机制来实现流量控制,通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制

上述特性,在下面的TCP原理里面回进行一一介绍

🌳TCP原理

TCP对数据传输提供的管控机制,主要体现在两个方面:安全效率

这些机制和多线程的设计原则类似:保证数据传输安全的前提下,尽可能的提高传输效率

🚩确认应答机制(安全机制)

确认应答机制图示如下

单看这一幅图还是比较懵逼的,接下来我为大家解答一下

我们知道TCP是属于可靠传输,它就为了解决UDP不可靠传输而发明的。我们有了确认应答机制后,我们每发送一个消息,都能收到对方的一个回应,确保自己知道自己的消息发过去了。

就像一个小伙子给他女神发消息说“我请你吃饭好吗?”,然后收到了女神的回复“好啊好啊”,小伙的请求收到了确认

在这个传输过程中了,我们用上述提到的ACK来表示请求和应答报文

  • ACK=0,表示是发送报文
  • ACK=1,表示是应答报文

但是光有确认应答还是不够,比如出现以下情况

小伙子对女神说“我请你吃饭好吗?”,然后这时候女生还没有回复,然后小伙又发了一句“做我女朋友好吗?”,这时候女神回消息了,回了两句为“滚”,“好啊好啊”

那么这时候的小伙就懵了,小伙就想

  • 女神是现在不想吃饭,给我发了一句滚,她还是愿意做为我的女朋友的
  • 女神不想做我女朋友,但是想和一起吃饭

这时候的小伙也就迷茫了,女神到底什么意思呢?

这时候我们为了解决这一类问题,我们引入一个序号确认序号,发送数据是带上序号,确认应答时也带上一个确认序号一一对应

做法不同的是

TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号

每一个ACK都带有对应的确认序列号,意思是告诉发送者,我已经收到了哪些数据;下一次你从哪里开始发。

这样就保证了确认应答不会出错

🚩超时重传机制(安全机制)

有了确认应答后,我们的可靠性已经得到大大的提升,但是UDP中出现的丢包问题还是没有得到解决

意思也就是主机A向主机B发送数据,一定时间后,并没有收到应答,这里主机A没有收到应答报文有两种情况

  1. 主机A发送数据给B之后,可能因为网络拥堵等原因,数据无法到达主机B
  2. 主机B收到主机A的数据之后,做出应答后,应答报文没有到达主机A

这两种情况都当成第一种情况处理,客户端会进行重传数据

这时候有的人可能会想,如果是第一种情况,重传数据就好,但是如果出现第二种情况,那么这些数据不是相同了吗,不就出现数据重复了吗?

这时候我们可以利用前面提到的序列号,其实我们这里的主机B这里接收就像一个优先级的队列,我们会对传来的数据按照序列号进行排序,如果序列号相同,该队列还可以起到一个去重的效果

那么我们又会想超时的时间如何确定

  • 最理想的情况下,找到一个最小的时间,保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”。
  • 但是这个时间的长短,随着网络环境的不同,是有差异的。
  • 如果超时时间设的太长,会影响整体的重传效率;
  • 如果超时时间设的太短,有可能会频繁发送重复的包;

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信,因此会动态计算这个最大超时时间

  • Linux中(BSD Unix和Windows也是如此),超时以500ms为一个单位进行控制,每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。
  • 如果重发一次之后,仍然得不到应答,等待 2*500ms 后再进行重传。
  • 如果仍然得不到应答,等待 4*500ms 进行重传。依次类推,以指数形式递增。
  • 累计到一定的重传次数,TCP认为网络或者对端主机出现异常,强制关闭连接。

🚩三次握手四次挥手(安全机制)

由于这里内容较多,我单独写了一篇进行介绍,大家可以博主写的《【JavaEE初阶】 TCP三次握手四次挥手(超详细版)》进行学习观看。

🚩滑动窗口(效率机制)

关于该部分的内容博主在《【JavaEE初阶】 TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制》有详细讲解。

🚩流量控制(安全机制)

关于该部分的内容博主在《【JavaEE初阶】 TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制》有详细讲解。

🚩拥塞控制(安全机制)

关于该部分的内容博主在《【JavaEE初阶】 TCP滑动窗口与流量控制和拥塞控制》有详细讲解。

🚩延迟应答(效率机制)

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答,这时候返回的窗口可能比较小

  • 假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据;如果立刻应答,返回的窗口就是500K;
  • 但实际上可能处理端处理的速度很快,10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
  • 在这种情况下,接收端处理还远没有达到自己的极限,即使窗口再放大一些,也能处理过来;
  • 如果接收端稍微等一会再应答,比如等待200ms再应答,那么这个时候返回的口大小就是1M;

注意:一定要记得,窗口越大,网络吞吐量就越大,传输效率就越高。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;

那么所有的包都可以延迟应答么?肯定也不是,是存在一定限制的

  • 数量限制:每隔N个包就应答一次;
  • 时间限制:超过最大延迟时间就应答一次;

具体的数量和超时时间,依操作系统不同也有差异;一般N取2,超时时间取200ms

🚩捎带应答(效率机制)

在延迟应答的基础上,我们发现,很多情况下,客户端服务器在应用层也是 “一发一收” 的。

意味着客户端给服务器说了 “How are you”,服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you”;

那么这个时候ACK就可以搭顺风车,和服务器回应的 “Fine,thank you” 一起回给客户端

🎍面向字节流的粘包问题

首先我们需要明确的是

我们在开发中,创建一个TCP的socket,同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区

  • 调用write时,数据会先写入发送缓冲区中;
  • 如果发送的字节数太长,会被拆分成多个TCP的数据包发出;
  • 如果发送的字节数太短,就会先在缓冲区里等待,等到缓冲区长度差不多了,或者其他合适的时机发送出去;
  • 接收数据的时候,数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;
  • 然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据;
  • 另一方面,TCP的一个连接,既有发送缓冲区,也有接收缓冲区,那么对于这一个连接,既可以读数据,也可以写数据。这个概念叫做 全双工

由于缓冲区的存在,TCP程序的读和写不需要一一匹配,例如:

  • 写100个字节数据时,可以调用一次write写100个字节,也可以调用100次write,每次写一个字节;
  • 读100个字节数据时,也完全不需要考虑写的时候是怎么写的,既可以一次read 100个字节,也可以一次read一个字节,重复100次;

那什么是粘包问题呢?

  • 首先要明确,粘包问题中的 “包” ,是指的应用层的数据包。
  • 在TCP的协议头中,没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段,但是有一个序号这样的字段。
  • 站在传输层的角度,TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
  • 站在应用层的角度,看到的只是一串连续的字节数据。
  • 那么应用程序看到了这么一连串的字节数据,就不知道从哪个部分开始到哪个部分,是一个完整的应用层数据包。

那么如何避免粘包问题呢?归根结底就是一句话,明确两个包之间的边界

  • 对于定长的包,保证每次都按固定大小读取即可;例如上面的Request结构,是固定大小的,那么就从缓冲区从头开始按sizeof(Request)依次读取即可;
  • 对于变长的包,可以在包头的位置,约定一个包总长度的字段,从而就知道了包的结束位置;
  • 对于变长的包,还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议,是程序猿自己来定的,只要保证分隔符不和正文冲突即可)

🚩思考:

对于UDP协议来说,是否也存在 “粘包问题” 呢?

  • 对于UDP,如果还没有上层交付数据,UDP的报文长度仍然在。同时,UDP是一个一个把数据交付给应用层。就有很明确的数据边界。
  • 站在应用层的站在应用层的角度,使用UDP的时候,要么收到完整的UDP报文,要么不收。不会出现"半个"的情况。

🌴TCP异常情况

进程终止:进程终止会释放文件描述符,仍然可以发送FIN。和正常关闭没有什么区别。

机器重启:和进程终止的情况相同。

机器掉电/网线断开:接收端认为连接还在,一旦接收端有写入操作,接收端发现连接已经不在了,就会进行reset。即使没有写入操作,TCP自己也内置了一个保活定时器,会定期询问对方是否还在。

如果对方不在,也会把连接释放。另外,应用层的某些协议,也有一些这样的检测机制。

例如HTTP长连接中,也会定期检测对方的状态。例如QQ,在QQ断线之后,也会定期尝试重新连接

😎TCP小结

为什么TCP这么复杂?因为要保证可靠性,同时又尽可能的提高性能。

  • 可靠性:
  • 校验和
  • 序列号(按序到达)
  • 确认应答
  • 超时重发
  • 连接管理
  • 流量控制
  • 拥塞控制
  • 提高性能:
  • 滑动窗口
  • 快速重传
  • 延迟应答
  • 捎带应答
  • 其他:
  • 定时器(超时重传定时器,保活定时器,TIME_WAIT定时器等)

🚩基于TCP应用层协议

  • HTTP
  • HTTPS
  • SSH
  • elnet
  • FTP
  • SMTP

当然,也包括你自己写TCP程序时自定义的应用层协议;

⭕总结

关于《【JavaEE初阶】 TCP协议详细解析》就讲解到这儿,感谢大家的支持,欢迎各位留言交流以及批评指正,如果文章对您有帮助或者觉得作者写的还不错可以点一下关注,点赞,收藏支持一下!

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