TCP协议详解_动力节点Java学院整理

本文描述了TCP协议，首先简单介绍了TCP完成了一些什么功能；介绍了TCP报文格式，以及典型报文的数据格式；接着从链路控制和数据传输两个方面进行了介绍，在TCP中链路控制和数据传输是通过同一个通道进行的，并没有区分控制通道和数据通道；在网络中传输数据（控制或真实数据），网络可能发生拥堵，因此接下来简单描述了主机端进行拥塞控制所采取的方法，也简单提及了中间路由器/交换机进行拥塞避免所采取的主动措施；最后介绍了在TCP中性能分析的一些基本概念点，在开发网络应用程序的时候，需要对应用的网络需求进行一个估计。

本文不是TCP的入门资料，阅读之前需要对TCP有一些基本认识，如三次握手、四次挥手、滑动窗口等。

TCP概述

通常说到TCP，我们都会很自然的想到其为上层提供了一个面向连接、可靠的、端到端的数据流服务，也通常用电话线路来类比一个TCP连接。但这种类比对刚接触到TCP的人来说极易造成误会，我们需要仔细审视这些概念，你将会发现TCP并不是那么面向连接的、也不是那么可靠的、数据也仍然是通过报文的方式进行传输的。实际上TCP是提供了一种“尽力而为”的数据传输模型；同时，它也提供了防止网络拥塞的主机端拥塞控制，试图去了解整个网络的状况，并采取合适的策略（貌似不是TCP应该干的事？）。

TCP的连接并不是指一条实际的或虚拟的链路存在于数据交换的两端，而是指连接的双方都维护了一些资源（如输入输出缓冲区、多种定时器）以及链路状态的信息，并通过双方的控制报文交互管理状态、向用户提供接口修改这些资源的分配。在“连接控制”小节，我们将会仔细审视资源和状态（包括控制状态的报文），若控制报文丢失，那么连接就会处于一种不一致状态，TCP通过一些手段去试图解决这些问题（如持活定时器、保持定时器等等）。

TCP提供了可靠的数据传输服务，其采取的措施是对控制报文和数据报文进行确认、并在超时之后进行重传；并利用滑动窗口协议解决数据数传乱序、收发双方进行流量控制。具体来说就是，对于发送方，TCP按照其认为最合适的长度发送数据报文，并在发出报文之后，启动一个定时器，等待数据的确认报文，若定时器超时后仍没有收到确认报文，则重传该报文；对于接收方，收到数据后，首先检查报文校验和，错误则直接丢弃该报文，不确认（发送端会注意到这个事实，从而重传）；收到重复报文，丢弃，不确认；通过双方维护的滑动窗口，TCP会将乱序报文排好序后才提交给上层应用程序。需要注意的是，流量控制与拥塞控制并不是同一回事，流量控制的目的在于防止发送端发送大量数据，超过接收端的处理能力，从而导致丢包等；拥塞控制则在于防止网络中发生拥堵，中间路由器或交换机丢弃报文的情况。

TCP提供数据流服务，上层应用传给TCP的数据，TCP并不加以区分，仅仅是按照自己的需求组合、拆分数据，然后传送给对端，对端TCP协议栈再将数据以发送的顺序递交给上层应用。TCP的数据传送仍然是以IP报文的方式发送到对端的，每次尽力发送MSS大小的报文，在“数据传输”小节我们会看到诸如Nagle算法、TCP_CORK等对流中报文的控制。

TCP本身并不提供报文边界之类的东西，但提供了紧急数据、PUSH标志（并没有提供对外接口）等方式可以模拟报文。通常，TCP数据流的划分是应用程序的事，应用程序定义好格式，并自己解析，常见的方案有：

• "color: #ff0000">TCP报文

  TCP报文格式

  TCP报文最终是由IP层发送出去的，封装报文如下：

  

  TCP报文格式如下：

  

  通常使用一个四元组唯一的表示一个TCP连接(client-ip, client-port, server-ip, server-port)，但需要注意以下事实：

  • "text-align: center">

    TCP首部中定义了6个字段，在一个报文中，通常只会出现一个标志，但也允许多个标志同时出现。

    • "color: #ff0000">常见报文

      TCP中除了通常的数据交换报文（数据报文详见后文“数据传输”小节），还有以下一些特殊的控制报文：SYN报文、ACK报文、FIN报文、RST报文、窗口探测报文、持活报文。这里将常见报文列出来，一是为了强调一个事实，TCP的状态变更大部分是通过报文交互进行的；二是对各种控制报文的使用场景进行简单归纳。

      SYN报文，用于发起一个新连接，只包含TCP首部，没有数据。一个典型报文输出如下：

      10:23:17.543837 IP 192.168.47.1.55366 > krt.9876: Flags [S], seq 2289863414, win 8192, options [mss 1460,nop,wscale 2,nop,nop,sackOK], length 0

      ACK报文，用于对控制报文（不包括RST）和数据报文进行确认，参考上一小节关于ACK的一些注意点。该报文可以与其他报文结合在一起，如SYN、数据报文、FIN报文等。单独的ACK本身不含任何数据，只有首部，典型报文输出如下：

      10:23:17.544135 IP 192.168.47.1.55366 > krt.9876: Flags [.], ack 1, win 16425, length 0

      FIN报文，用于通知对端已经发送完了所有数据，将发送缓冲区中数据发送完成后，可以关闭连接。详细参考后文“连接控制”，用于有序释放连接或者连接半打开。

      RST报文，当向一个出现错误的连接发送一个报文的时候，就收到RST报文。以下是几种典型情况（详细情景在后文“连接控制”小节表述）：

      • "color: #ff0000">连接控制

        TCP是面向连接的协议，正如前面所描述的，并不存在真实的物理或虚拟的链路，TCP的连接是指在通信的双方分配了资源和维护了状态，并通过控制报文控制连接，通过API协调资源。本小节将详细描述实现中对TCP的连接控制。需要注意的是，连接的拥塞控制在本小节不过多涉及，后面单独小节描述。

        4个定时器：重传定时器、2MSL定时器、persist定时器、keepalive定时器

        连接双方通过以下一些事件来维持连接的状态， 发送方：发送缓冲区、4个定时器、发送窗口、拥塞状态计数器 接收方：接收缓冲区、4个定时器、接收窗口、拥塞状态计数器

        TCP连接更详细的描述 通信双方通过一些内部状态保持了彼此的信息，连接关系始终保持，并通过报文交换来进行连接状态的变更。由于是通过报文进行连接状态的维护，所以报文没有正确发出或被接收到时，连接状态就会变成意料之外了；除确认报文本身不被确认，其他报文都会有确认报文进行确认；报文（包括确认报文）可能超时、需要重传。下面是通信过程中一些重要报文的交互序列。

        发送方 网络（中间路由器等组成） 接收方

        发送方为Windows，接收方为Linux，操作如下

        krt@krt:~$ perl ksock.pl --sleep-before-listen=1
        Windows下
        C:Userwin-krtDesktop>telnet 192.168.47.120 9876    krt@krt:~$ sudo tcpdump -n -i eth0 tcp port 9876 tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes 13:59:16.575626 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [S], seq 2588085696, win 8192, options [mss 1460,nop,wscale 2,nop,nop,sackOK], length 0 13:59:16.575678 IP 192.168.47.120.9876 > 192.168.47.1.65281: Flags [S.], seq 3751549776, ack 2588085697, win 29200, options [mss 1460,nop,nop,sackOK,nop,wscale 7], length 0 13:59:16.577107 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [.], ack 1, win 16425, length 0 13:59:19.564526 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [P.], seq 1:2, ack 1, win 16425, length 1 13:59:19.564747 IP 192.168.47.120.9876 > 192.168.47.1.65281: Flags [.], ack 2, win 229, length 0 13:59:19.565023 IP 192.168.47.120.9876 > 192.168.47.1.65281: Flags [P.], seq 1:13, ack 2, win 229, length 12 13:59:19.763747 IP 192.168.47.120.9876 > 192.168.47.1.65281: Flags [P.], seq 1:13, ack 2, win 229, length 12 13:59:19.763849 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [.], ack 13, win 16422, length 0 13:59:19.764023 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [.], ack 13, win 16422, options [nop,nop,sack 1 {1:13}], length 0 13:59:23.688209 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [F.], seq 2, ack 13, win 16422, length 0 13:59:23.688372 IP 192.168.47.120.9876 > 192.168.47.1.65281: Flags [F.], seq 13, ack 3, win 229, length 0 13:59:23.689053 IP 192.168.47.1.65281 > 192.168.47.120.9876: Flags [.], ack 14, win 16422, length 0

        连接建立

        连接建立过程中会经历被称为“三次握手”的报文交互。

        

        连接建立过程主要目的在于协商双方通信的细节，双方的初始序列号、窗口大小、最大报文段MSS大小等。

        连接断开

        

        数据传输

        数据交换（基本的确认、超时、重传，滑动窗口）

        交互数据和批量数据交换

        拥塞控制

        性能和常用网络工具

        tcpdump lsof netstat ss /proc
        iputils包 net-tools包 iproute2包