TCP协议分析(一)

      传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

1、OSI七层模型简介

　　TCP协议和UDP协议共同工作在OSI七层模型中的第四层-传输层，OSI七层模型如下：

OSI 模型
 数据单元层功能
主机层 Data（数据） 7. 应用层 网络进程到应用程序。
6. 表示层 数据表示形式，加密和解密，把机器相关的数据转换成独立于机器的数据。
5. 会话层 主机间通讯，管理应用程序之间的会话。
Segments（数据段） 4. 传输层 在网络的各个节点之间可靠地分发数据包。
媒介层 Packet/Datagram（数据包/报文） 3. 网络层 在网络的各个节点之间进行地址分配、路由和（不一定可靠地）分发报文。
Bit/Frame（数据帧） 2. 数据链路层 一个可靠的点对点数据直链。
Bit（比特） 1. 物理层 一个（不一定可靠的）点对点数据直链。

与之对应的是TCP/IP分层模型（TCP/IP Layening Model）：
　

4 应用层
（OSI
5到7层）		 例如HTTP、FTP、DNS
（如BGP和RIP这样的路由协议，尽管由于各种各样的原因它们分别运行在TCP和UDP上，仍然可以将它们看作网络层的一部分）
3 传输层
（OSI
4层）		 例如TCP、UDP、RTP、SCTP
（如OSPF这样的路由协议，尽管运行在IP上也可以看作是网络层的一部分）
2 网络互连层
（OSI
3层）		 对于TCP/IP来说这是因特网协议（IP）
（如ICMP和IGMP这样的必须协议尽管运行在IP上，也仍然可以看作是网络互连层的一部分；ARP不运行在IP上）
1 网络接口层
（OSI
1和2层）		 例如以太网、Wi-Fi、MPLS等。

在OSI七层模型中，四层-Transport层的数据称作Segment，第三层IP层称作Packet，第二层链路层称作Frame。

2、TCP Segment

      TCP首部报文格式：

TCP Header
OffsetsOctet0123
OctetBit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 910111213141516171819202122232425262728293031
00 Source port Destination port
432 Sequence number
864 Acknowledgment number (if ACK set)
1296 Data offset Reserved
0 0 0		 N
S		 C
W
R		 E
C
E		 U
R
G		 A
C
K		 P
S
H		 R
S
T		 S
Y
N		 F
I
N		 Window Size
16128 Checksum Urgent pointer (if URG set)
20
...		160
...		 Options (if data offset > 5. Padded at the end with "0" bytes if necessary.)
...

首部结构中，

  • 四元组<src_ip, src_port, dst_ip, dst_port>共同确定了一条tcp连接，其中<src_ip, src_port> 、<dst_ip, dst_port>各组成一个socket.
  • Sequence Number是包的序号，新建一条连接时，SYN置1，Sequence Number初始化为ISR(initial sequence number),主机要发送的第一个字节编号为ISR+1，因为SYN消耗一个编号。Secquence Number用来解决网络包乱序（reordering）问题。
  • Acknowledgement Number就是ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题。ACK是发送端期望的下一个序号，因此ACK是收到的Secquence Number加1.
  • Window又叫Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的。
  • TCP Flag ，也就是包的类型，主要是用于操控TCP的状态机的。

3、TCP连接建立与释放

TCP连接包括三个状态：连接创建、数据传送和连接终止，状态图：

　　　　　　图 3-1. TCP的连接与释放

3.1 建立连接

　　在建立连接阶段，与上图对应的socket 原理图如下：

  1. 服务器准备好接受客户端的连接，通过socket, bind, listen三个函数实现，称为 被动打开(passive open)
  2. 客户端通过connect主动打开(active open)，这导致TCP发送一个SYN同步分节，并通知服务器待建立的连接中client端的ISN，即上图中的J.
  3. 服务器对客户的SYN进行ACK确认，ACK=J+1。同时自己发送一个SYN分节，ISN为K.
  4. 客户端确认服务器的SYN, client回复的ACK=K+1.

此时tcp连接已经建立，accept函数从连接队列中取出该连接并返回，client/server之间可以通过write/read收发数据。

整个过程Server和Client之间有三次交互，称为三路握手（three-way handshake）。

3.2 释放连接

    TCP连接是全双工的，每个方向都必须单独关闭，称为TCP的半关闭。因此终止TCP连接需要4次握手。

　　

  1. 某个应用进程首先调用close, 称为主动关闭(active close), 该端发送FIN分节和seq=M。
  2. 收到这个分节的接收端执行被动关闭(passive close)，被动端发送ACK=M+1回应并发送文件结束符(end-of-file)给应用进程。
  3. 一段时间后，收到end-of-file的进程调用close，发送FIN分节和seq=N。
  4. 主动关闭端收到FIN并回复ACK=N+1.

至此，TCP连接释放。

3.3 2MSL等待状态

　　在主动关闭端TIME_WAIT状态到CLOSED状态，即发送最后一个ACK后，需要在TIME_WAIT状态等待2MSL时间。

原因：TIME_WAIT确保有足够的时间让对端收到了ACK，如果被动关闭的那方没有收到ACK，就会触发被动端重发FIN，一来一去正好2个MSL。

　　2MSL状态的结果是，TCP连接在TIME_WAIT状态的2MSL时间内，socket不能被再次使用。大多数TCP实现(如BSD版等)加强了这个限制，在2MSL时间内，socket中的本地端口不能被重复使用，这主要会影响TCP服务器，因为服务器需要使用众所周知的端口号，而client只需由kernel分配一个端口即可。

　　避开次限制的方法：SO_REUSEADDR选项, 

opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

4、超时重传

　　TCP提供可靠的运输层，方法之一就是确认从另一端发回的数据。当超过一定时间没有收到回复时，发送端重传数据。

4.1、超时重传机制

　　TCP要保证所有的数据包都可以到达，所以，必需要有重传机制。

　　接收端给发送端的Ack确认只会确认最后一个连续的包，比如，发送端发了1,2,3,4,5一共五份数据，接收端收到了1，2，于是回ack 3，然后收到了4（注意此时3没收到），此时的TCP会怎么办？我们要知道，因为正如前面所说的，SeqNum和Ack是以字节数为单位，所以ack的时候，不能跳着确认，只能确认最大的连续收到的包，不然，发送端就以为之前的都收到了。

　　一种是不回ack，死等3，当发送方发现收不到3的ack超时后，会重传3。一旦接收方收到3后，会ack 回 4——意味着3和4都收到了。

　　但是，这种方式会有比较严重的问题，那就是因为要死等3，所以会导致4和5即便已经收到了，而发送方也完全不知道发生了什么事，因为没有收到Ack，所以，发送方可能会悲观地认为也丢了，所以有可能也会导致4和5的重传。

对此有两种选择：

  • 一种是仅重传timeout的包。也就是第3份数据。
  • 另一种是重传timeout后所有的数据，也就是第3，4，5这三份数据。

这两种方式有好也有不好。第一种会节省带宽，但是慢，第二种会快一点，但是会浪费带宽，也可能会有无用功。但总体来说都不好。因为都在等timeout，timeout可能会很长。

4.2、快速重传机制

于是，TCP引入了一种叫Fast Retransmit 的算法，不以时间驱动，而以数据驱动重传。也就是说，如果，包没有连续到达，就ack最后那个可能被丢了的包，如果发送方连续收到3次相同的ack，就重传。Fast Retransmit的好处是不用等timeout了再重传。

比如：如果发送方发出了1，2，3，4，5份数据，第一份先到送了，于是就ack回2，结果2因为某些原因没收到，3到达了，于是还是ack回2，后面的4和5都到了，但是还是ack回2，因为2还是没有收到，于是发送端收到了三个ack=2的确认，知道了2还没有到，于是就马上重转2。然后，接收端收到了2，此时因为3，4，5都收到了，于是ack回6。示意图如下：

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