网络运输层之(1)TCP协议基础
Author: Once Day Date: 2024年9月12日
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文章目录
1. 概述 1.1 介绍
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。它是当今互联网中最广泛使用的传输协议之一，为各种网络应用程序提供了可靠的数据传输服务。
TCP协议在传输数据时，会将数据分成一个个的报文段（segment）进行传输。每个报文段都包含了源端口号、目的端口号、序列号、确认号、控制位等重要信息，以确保数据传输的可靠性和有序性。
TCP协议的发展历程可以追溯到20世纪70年代末，经过几十年的演变和完善，已经成为当今互联网中最重要的传输层协议之一。TCP协议的发展大致经历了以下几个阶段：
初始规范阶段（20世纪80年代）：TCP协议的原始规范RFC 793发布，奠定了TCP的基本功能和特性，如面向连接、可靠传输和全双工通信等。随后，RFC 1122对TCP规范进行了修订和完善。性能优化阶段（20世纪90年代）：为了适应互联网的快速发展，TCP引入了多项性能优化措施，如RFC 1323中的窗口缩放、时间戳和PAWS算法，以及RFC 2018中的选择性确认（SACK）机制，用于提高TCP在高速、长距离网络中的性能和可靠性。拥塞控制阶段（20世纪90年代末至21世纪初）：TCP拥塞控制算法的不断完善和成熟，从RFC 2581到RFC 5681，奠定了现代TCP拥塞控制的基础。同时，RFC 3168引入了显式拥塞通知（ECN）机制，允许网络向TCP反馈拥塞信息。高性能扩展阶段（21世纪10年代）：为了进一步提高TCP在高速、长距离网络中的性能，RFC 7323对TCP的高性能扩展进行了更新，包括窗口缩放、时间戳和PAWS算法等。现代TCP规范阶段（21世纪10年代至今）：RFC 8312作为当前最新的TCP规范文档，对TCP的各个方面进行了全面的描述和规范，是当前TCP协议的权威参考。 1.2 服务模型
TCP协议的主要特点如下：
1.3 RFC文档
下面是TCP相关的RFC文档：
2. 报文协议 2.1 TCP报文格式
TCP报文(也称为TCP段，segment)是TCP协议通信过程中传输的数据单元，每个TCP报文都由报文头部和数据部分组成。
下面是各个字段的含义：
窗口大小（Window Size，16位）：表示接收方当前可接收的字节数，用于流量控制。这个字段最大值是65535，可以通过窗口缩放选项(Window Scale)对其进行缩放，从而提供更高的上限值。
校验和（Checksum，16位）：用于检验TCP报文头部和数据部分的完整性。
紧急指针（Urgent Pointer，16位）：当URG标志位置1时有效，指示紧急数据的末尾在报文段中的位置。
选项（Options，可变长度）：TCP头部的可选字段，用于实现一些特殊功能，如最大报文段长度（MSS）、窗口缩放因子、时间戳等。
填充（Padding，可变长度）：用于确保TCP头部长度为4字节的整数倍。
2.2 TCP校验和
TCP校验和是TCP报文头部中的一个重要字段，用于验证TCP报文在传输过程中是否出现了误码或损坏。
TCP伪头部是计算校验和时使用的一个虚拟头部，它包含了一些来自IP头部的信息。伪头部的格式如下：
校验和的计算方式如下(与IP、ICMP和UDP协议类似)：
将TCP伪头部、TCP头部和数据部分看作一个连续的字节流。将字节流划分为16位(2字节)的字。如果字节流的长度为奇数，在末尾添加一个全零字节，使字节流长度变为偶数。将所有16位字相加，得到一个32位的和。将32位的和的高16位与低16位相加，得到一个16位的和。将16位的和取反，得到TCP校验和的值。
接收方在收到TCP报文后，会按照相同的方法计算校验和，并与报文中的校验和字段进行比较。如果两者相同，说明报文在传输过程中没有出现差错；如果不同，则说明报文在传输过程中出现了差错，需要进行重传或错误处理。
但这种校验和对于超大量数据来说，仍然是不够健壮，应用层仍然需要采取自定义的手段来保证应用层数据可靠性。
2.2 三次握手
TCP是一种面向连接的可靠传输协议，在通信双方进行数据传输之前，需要先建立连接。TCP使用三次握手（Three-Way Handshake）的方式来建立连接，下面是示意图：
(1) 第一次握手（SYN），客户端向服务器发送一个SYN（同步）报文：
(2) 第二次握手（SYN+ACK），服务器收到客户端的SYN报文后，如果同意建立连接，则返回一个SYN+ACK报文：
(3) 第三次握手（ACK），客户端收到服务器的SYN+ACK报文后，向服务器发送一个ACK报文：
2.3 四次挥手
当客户端或服务器任一方需要关闭TCP连接时，就会启动连接释放的过程。TCP使用四次挥手（Four-Way Handshake）的方式来释放连接，下面是示意图：
(1) 第一次挥手（FIN），假设客户端先发起连接释放，客户端向服务器发送一个FIN（终止）报文：
(2) 第二次挥手（ACK），服务器收到客户端的FIN报文后，向客户端发送一个ACK报文：
(3) 第三次挥手（FIN），服务器完成数据发送后，也向客户端发送一个FIN报文：
(4) 第四次挥手（ACK），客户端收到服务器的FIN报文后，向服务器发送一个ACK报文：
注意，客户端在进入CLOSED状态之前，需要经过TIME_WAIT状态，并等待2MSL的时间。这样做的目的是确保网络中所有的报文都已经被接收或丢弃，防止新连接误接收旧连接的报文。
2.4 自动重传
在数据通信中，由于各种原因（如信道噪声、网络拥塞等），数据报文在传输过程中可能会出现丢失、损坏或重复等问题。为了确保数据的可靠传输，通信双方通常使用自动重复请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）机制和自动重传功能。
自动重复请求是一种在通信双方之间实现可靠数据传输的方法，它要求接收方在收到数据后向发送方发送确认(ACK)，如果发送方在一定时间内未收到确认，则认为数据丢失并重新发送。ARQ主要有以下三种方式：
TCP采用了一种基于选择重传ARQ的自动重传机制，以确保数据的可靠传输：
2.5 流量控制(滑动窗口)
在TCP通信中，滑动窗口（Sliding Window）是一种用于实现流量控制的机制。它允许发送方根据接收方的接收能力动态调整发送数据的速率，以避免接收方的缓冲区溢出或网络拥塞。
滑动窗口是指在任意时刻，发送方可以发送的数据范围。这个范围由两个指针界定：发送窗口的左边界和右边界。左边界表示已经发送并得到确认的数据的最大序号，右边界表示可以发送的数据的最大序号。
窗口的大小由接收方通告的窗口大小（rwnd，Receiver Window）决定。发送方的发送窗口不能超过rwnd，以防止发送过多的数据导致接收方的缓冲区溢出。
随着数据的发送和确认，滑动窗口会不断向右移动，允许发送方发送新的数据。这就是"滑动窗口"的由来。
TCP使用滑动窗口实现了流量控制，具体过程如下：
接收方在ACK报文中通告自己的接收窗口大小（rwnd），表示自己当前可以接收的数据量。
发送方根据接收方通告的rwnd和自己的拥塞窗口（cwnd，Congestion Window）计算发送窗口的大小，取两者的最小值：
send_window = min(rwnd, cwnd)
发送方只能在发送窗口允许的范围内发送数据，即已发送但未确认的数据量不能超过发送窗口的大小。
当接收方处理了一部分数据后，其接收缓冲区空出了空间，就会通过ACK报文通告更大的rwnd，允许发送方发送更多的数据。
如果接收方的接收缓冲区满了，会通告一个零的rwnd，发送方就必须停止发送数据，直到接收方再次通告非零的rwnd。
TCP的滑动窗口机制可以动态调整发送速率，使其与接收方的接收能力相匹配，从而实现了流量控制。
2.6 拥塞控制
除了流量控制，TCP还具有拥塞控制（Congestion Control）的功能，用于防止网络拥塞和崩溃。拥塞控制允许TCP在网络拥塞时调整发送速率，以避免进一步加剧拥塞，并在网络恢复后逐步增加发送速率。
TCP使用拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）来控制发送速率。拥塞窗口表示在任意时刻，发送方可以发送的未确认数据的最大量。与接收方通告的接收窗口（rwnd）不同，拥塞窗口是发送方根据网络拥塞状况自行调整的。
send_window = min(cwnd, rwnd)
TCP采用了慢启动（Slow Start）和拥塞避免（Congestion Avoidance）两种算法来调整拥塞窗口的大小：
通过这些算法，TCP可以在网络拥塞时迅速降低发送速率，在网络恢复后逐步提高发送速率，从而实现了拥塞控制。
除了上述基本的拥塞控制算法，TCP还有一些其他的拥塞控制算法，如：Once Day
