经过故事引伸网络协议TCP

讲一个故事。

三次握手

 long time ago，通讯并不发达，两国之间的贸易却络绎不绝。但码头始终有限，若是贸然的把货物运过去，若是这时候有别的商家已经占领了码头。这样不得不排队了。后来，他们训练了一种海鸟，运送以前，先用海鸟报个信： 

1. 五弟，我要发一些货过去。
2. 收到，老地方，不见不散。

 一开始这个方式挺好用的，直到有一年夏天，五弟找上门来了：我等了你一天，你的货呢？我交了钱借用了一天的码头，都白交了。二哥：我也着急呀，你一直没回信，我都等了两天，我不知道咋肥四，就没发了。应该是回信的那只鸟，被大风刮走了。最近海上天气很差，想必我放的那只鸟也是历经千辛万苦才去到你那。这样吧，五弟，我改一下流程吧：

1. 五弟，我要发一些货过去。
2. 收到，老地方，不见不散。
3. 五弟，好的，老地方。

五弟琢磨了一下，前面的鸟可以一来一回，二哥能看出海上没有危险。我收到二哥的消息后也能看出海上无风雨，这时我再去借码头，也能节省一些时间，妙，实在妙，仍是二哥聪明，只是二哥要比我多训练一倍的鸟。五弟哪里的话，浪费这点资源算什么呢。

三次握手就这样诞生了。

流量控制

过了一些时日，五弟又来找二哥商量了：码头上的仓库空间，人力始终有限，二哥一次派了这么多艘船来，五弟实在忙不过来，船都堵在渡口，人家的船进不来，出不去啊。为了此事二哥想了一宿，找来了五弟商量：五弟呀，这个确实是个头疼的问题呀。

最简单的办法就是一开始你就告诉我你能处理多少货，我就派一批船过去。等你处理完了通知我，我再派一批过去。可是这种方式应变能力过低了，假设港口一开始没这么堵，可是可能还有一些商家在海上来往，结果我这一批派过去，就致使堵塞拥挤了。这个应变能力能理太差了，要提升这个应变能力，就不能派太多的船涌进港口，只能一小批，一小批的派了。

这样你每次收到货以后，就让回来的船告诉我你那里剩余多少空间，我好安排下一趟船只。五弟挠挠头，不明白。二哥敲了下这木鱼脑壳道：假设咱们要运送720的货，你码头的仓库最多能存360的货物，我每次派100的货物，固然个人每艘船只能载重是10(MTU 最大传输单元限制)。

• 第一趟，我送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩260的空间。
  
• 第二趟，我送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩160的空间。
  
• 第三趟，我送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩60的空间。
  
• 第四趟，我送过去60，我须要派6艘过去，这时候仓库已满，你开始让工人搬运，等你搬运好了，就通知我。
• 第五趟，收到五弟那边的通知，我开始送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩260的空间。
• 第六趟，我送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩160的空间。
  
• 第七趟，我送过去100，我须要派10艘过去，你让返回的船老大告诉我你那里还剩60的空间。
  
• 第八趟，我送过去60，我须要派6艘过去，这时候货就发完了，圆满大吉。

借助窗口解决了流量控制的问题。

丢包重传

没过多久，五弟又来找二哥商量了：我收到的货物缺斤少两的，对不上数呀，我猜呀，海上风云莫测，可能有些船只失踪了，这可咋办呀。二哥想了想，能咋办，重发呗。这样，我给每个船只编上号，到了一段时间，没回来的船只，我再重发那批货物吧。至于间隔多久才决定重发，这个很是重要。

• 设长了，重发慢了，丢了老半天才发过去，效率过低了，也让五弟等过久了。
• 设短了，更恐怖，可能会致使没有丢的也重发，这样就重发多了，更多的船堵在海上，许久不能到达返回，致使更多的超时，更多的重发。

再加上海上风云莫测，每次来回的时间不是固定的。只能动态的估算这个值了。这样，每批次的船只一来一回算一个单位(RTT)。而后根据这个RTT的时间计算超时时间(RTO)。当发生了重发，就会将超时时间加倍。防止太频繁重传致使更加拥挤。

重传歧异

可是这样的会有一个问题，假设7号船一直没回来，这时候再派一个7号船过去，许久后，终于回来了，那么这艘船是第一艘的仍是重发的那艘呢？忽略说能认出船老大的陈独秀同窗(抠鼻)。

• 若是回来的船的是重发的那艘，假设是按第一艘来算，那么间隔时间算长了。
• 若是回来的船的是第一艘的，却又按照重发的那艘来算，间隔时间又算短了。
  

这是一个苦差事，具体怎么算，仍是请位大师来算吧。此事算了了。

慢启动

五弟又过了找二哥了：运720的货都跑了8趟了，那送7200的货那还不得九九八十一趟啊。这效率不行啊，二哥道：你想到的我也想到了,一开始我并不知道海上的拥挤状况，因此不敢派太多的船，我想了一个办法，先发的慢一点，探测一下状况，而后再慢慢提速。假设我一开始派n艘船。

• 先假定cwnd = 1，表示我这个批次派 cwnd*n 艘船。
• 每当有一艘船回来，cwnd++，线性上升。
• 每当过一个RTT，也就是当前批次的船回来了，cwnd = cwnd *2，指数上升。

这样，就能够解决效率低的问题了。

拥塞避免

固然，不可能一直是增长。这样拥堵只是时间问题。因此须要一个阈值。

• 当 cwnd < 阈值，使用慢启动算法
• 当cwnd >= 阈值，使用拥塞避免算法

拥塞避免算法的思路就是下降加速度，让它缓慢的增加。

• 每当有一艘船回来，cwnd = 1/cwnd
• 每当过一个RTT，cwnd++

拥塞处理

以上都是正常的状况，当发生了重传，说明发生了拥挤，就不能再发这么多船了，这时候cwnd减半，从新进入慢启动。

好了，故事就讲到这里了。

当出现了RTO超时重传，由于ack都收不到了，因此它的处理会比较猛烈：

• 将门限ssthresh的值设为当前cwnd值的一半，也就是阈值。之因此减半，是为了公平性，腾出空间给其余新连接保证带宽。
• cwnd设为1。
• 从新进入慢启动。

cwnd决定了发送窗口的大小，若是只是出现了轻度的拥堵，就直接猛烈缩小窗口，进入慢启动后，cwnd恢复的很慢，这显然得不偿失，因此须要一种主动触发重传的机制，就有了后来的快速重传和快速恢复。

快速重传

仅仅只是靠超时重传，并不能发生了包丢失，却要等到超时才开始重传，这显然效率不够，因此须要找到重传的规律。虽然咱们发的包是有序的，可是IP包是无序的，因此会致使到达的包出现无序的状况。先来看下下面一组数据。

• 1，2，3，4        已发送，已确认到达
• 5，6，7，8，     已发送，未确到达
• 9，10，11 ，12    在发送缓冲区等待发送，滑动窗口已经没有空间了。

要保证可靠性，就必需要保证顺序和完整，来看看事故发生现场。

• 5，6，7，8。ack=9 , 由于Seq=5，length = 4，ack = seq+lenght，window size 剩余 4。不会每个都返回ack，这样将会消耗大量的带宽。
• 6，5，7，8。ack=5，ack=5，ack=9，6到达的时候，发现顺序不对，则会发出ack=5，期待客户端下次发送seq=5的包，由于尚未达到三次因此客户端不会理会这个信息，果真后面就如期而至。
•  6，7，8，5。ack=5，ack=5，ack=5，ack=5，ack=9。重复三次了，因此后面重发了5。

从上面的状况能够看出不论是乱序仍是丢包，都会收到重复的ack的。在快速重传算法中，当收到三次重复的ack，就认定它是丢包了。但实际上，三次重复ack并不能判断出是丢包或乱序，只能说出现了问题，它只是在效率和过早重传之间的一个权衡。

• 若是两次重复ack就发送可能会由于频繁发送致使拥挤堵塞。
  
• 若是太晚发送效率就跟不上。
• 若是三次接收端都能收到重复ack，说明网络不会太差。

收到了三次重复的ack，进入快速重传须要作几件事情：

• ssthresh =cwnd/2
  
• cwnd=ssthresh
  
• 这时候由于cwnd等于阈值，因此从新进入拥塞避免阶段

因为快速重传有多是由于顺序的问题而误判，或者只是轻微的拥堵，致使进入了拥塞避免阶段，这时候为了达到快速恢的目的，将会中止发送后面的数据，只发送重传数据，为了提升恢复效率，将会使用快速恢算法。

快速恢复

为了保证快速重传效率，进入快速恢复阶段会有如下几个步骤。

• 因为在上一个阶段，cwnd和ssthresh变成了，ssthresh =cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，之因此加3，是由于刚刚收到了3个重复的ack。
• 当再次收到重复的ack，cwnd = cwnd+1。
• 当收到新的ack，非重复的ack，cwnd=ssthresh，退出快速恢复阶段，进入拥塞避免状态。

总的来讲就是腾出空间，马不停蹄。

TCP 重传机制

在上面的重传原理介绍中，咱们还忽视了一个问题，例如客户端在发送1，2，3，4，5，6，7包时，2，4，6，包丢了，这种状况仍是比较常见的，这时候就会面临一个问题，究竟是一个一个重传，仍是将2后面的包都重发过去。

• 停等协议。这时候接收方和发送方的窗口大小都是1，这样每次只能发送一个，也就是一个一个重传。缺点是效率过低。
• 后退n帧协议。使用这个协议，为了保证接收方有足够的空间，2以后的数据都要丢弃，而后发送方将2后面的数据都所有发送。缺点是须要有足够大的缓存空间。

  后退n帧协议虽然效率高，可是遇到大场面，在网络比较差或者带宽比较低的状况，若是仍然使用这个协议会致使状况更加恶劣，这种状况停等协议虽然效率比较低，可是仍是比较适用的。

窗口的滑动

TCP提供体积可变的滑动窗口机制，支持端对端的流量控制：

• TCP链接阶段，双方协商窗口的尺寸，同时接收方预留数据缓存区
• 发送方根据协商的结果，发送符合窗口的尺寸的字节流，而后等待ack确认。
• 发送方根据返回的确认信息，调整窗口的尺寸，调整包括，若是出现发送拥塞，发送窗口缩小原来的一半，同时将超时重传时间间隔扩大一倍，防止发生重传风暴。

在传输的过程当中，窗口是滑动的

看下图5-15，TCP链接阶段，双方协商窗口的尺寸，同时接收方预留数据缓存区

看图5-16，假设窗口的阈值是一半，因此A发送11个帧，发送后，等待确认，发送窗口位置不变。这时候发生了丢包，32，33没有收到。虽然31已经收到了，窗口理论上能够往右移动一个位置，可是为了节省宽带，不会每个帧都回复ack，而是累积几个以后在发出，因此31不会回复ack，窗口就卡在这了。

看图5-17，这时候30-33的已经确认了，因此窗口能够往右滑动三帧。37，38，40也许延迟还未收到。

看图5-18，在重传机制生效以前，A继续发送了后面的数据，这时候窗口已经所有用完，A会中止发送数据，等待B的窗口可用，B处理完以后会等待A发送数据，这样就形成了双方在等待，为了解决这个问题，TCP使用了Zero Window Probe技术，缩写ZWP。在窗口尺寸变成0以后，发送端会发送ZWP包询问接收端是否有足够的空间能够发送数据了，TCP使用持续计时器，若是结果仍然为0，则重置定时器继续等待。

丢包的缘由

• 接收方缓存区满了
• 信号差，波形失真
• 包的校检失败
• 网络拥塞

乱序的缘由

• IP包是无序的
• 中间件的内部调度，如路由器，路由器里面是有处理器，有些路由器使用多个流量处理单元，致使不一样包在不一样的处理单元，最后到达时间不同而发生了乱序
• 多路复用，统一连接，不一样路径到达

TCP包头格式

标志位

• SYN 用于链接请求时的标志，SYN = 1
• ACK 用于确认成功接收数据，ACK = 1
• FIN  用于链接释放的标志，FIN= 1
• RST 用于重置一个异常的链接，接收端 告知 发送端 此链接有问题

• PSH 用于通知接收端将缓存区的数据提交给上层，即便没有满
• URG 用于通知接收端当前为紧急数据，将这个数据直接提交给上层，它不通过缓存区，后面的紧急指针表示紧急数据在当前数据的偏移位置

三次握手

• 首先整个过程Seq都是动态生成的惟一序列号，不管谁发给谁，为了防止新链接和旧链接窜了。
  
• ACK = 收到的Seq + 1
• SYN = 1

链接过程的状态

• 客户端SYN_SENT。客户端发送 SYN = 1，Seq = X 将状态设置为 SYN_SENT
  
• 服务端SYN_RCVD。半链接状态，服务器收到后将状态设置为SYN_RCVD，并返回 SYN = 1，ACK= 1，Seq = Y，Ack = X + 1
• 客户端ESTABLISHED。客户端收到后，状态设为ESTABLISHED，表示链接已创建。并发送ACK= Y + 1，Seq = Z
• 服务端ESTABLISHED。服务端收到后，状态设为ESTABLISHED，表示链接已创建。
  

服务器维护了一个半链接的队列，该队列为每一个客户端的SYN包（SYN=X）开设一个条目，表示服务器已经收到SYN包，并向客户端发出确认，正在等待客户端的确认包。当服务器收到客户端的确认包时，删除该条目，该链接进入ESTABLISHED状态。

四次挥手

1. FIN-WAIT-1。客户端中止发送数据，FIN=1，Seq=X(前面已经传送过来的数据最后一个字节的序号+1)，客户端进入FIN-WAIT-1状态。
2. CLOSE-WAIT。服务器发出Ack = X + 1，进入CLOSE-WAIT状态，通知应用程序，由于服务器是被动收到通知，此时服务可能数据还没发完，还要继续发送。
3. FIN-WAIT-2。收到服务器的回复，再次等待服务器的关闭通知。这时候服务器还可能发着数据给客户端。
   
4. LASK-ACK。服务器终于把事情处理完了，能够发出FIN = 1，Seq = Z，ACK = X + 1告知服务器断开链接，进入最后确认状态。
5. TIME-WAIT,收到服务器的关闭请求，客户端回复ACK = 1，Seq = X + 1，Ack = Z + 1，这时候客户端不会立刻释放链接，它会等待2MSL(报文最长存活时间)，防止这个消息服务器没有收到，而这时服务器发出重传信息，客户端就能够即时响应。
6. CLOSED，服务器收到消息后释放链接，客户端通过2MSL后也释放链接。

数据是如何传输的

两台电脑之间通讯都须要把数字信号01转化成电信号，再调制成电磁波(好比光)。电磁波自己没法承载信息的，可是咱们能够控制电磁波的变化(幅度AM，频率FM，相位PM)，让这些变化能够表明0和1。也就是说在信号线中走的是电磁波，因此在布线的时候要注意线与线之间的串扰。

电磁波有不少频段好比2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz，在空气中存在不少不一样频段的波，因此须要进行定宽调频，也就是说肯定带宽，而后再进行滤波，所谓的滤波就是经过滤波算法，好比卡尔曼滤波，根据截止频率是否靠近特征频率以及衰减程度来分类的，最后转换成01信号。带宽又叫频宽是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中能够传递数据的能力。在数字设备中，频宽一般以 bps表示，即每秒可传输之位数。

截止频率

用来讲明电路频率特性指标的特殊频率。当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。在高频端和低频端各有一个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频率。两个截止频率之间的频率范围称为通频带。

帧

将信号转化成字节，再将字节组装成帧。再以太网链路上的数据包被称为以太帧，在802.3标准理，规定了一个以太帧的数据部分(Playload)的最大长度是1500个字节(MTU)，另外，以太网帧最小长度为64字节。