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TCP 模型详解

参考教程：计算机网络 网络的基本结构 image.png

一 TCP协议详解

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协议，常用于互联网协议套件中的应用层协议（例如 HTTP、FTP 等）。 TCP 协议采用了分层的设计，分别包括应用层、传输层、网络层和数据链路层。其中，TCP 协议属于传输层协议。 TCP 协议主要包括以下几个方面：

  1. 面向连接：在传输数据前，TCP 协议会先建立连接，然后才进行数据传输，传输完成后再断开连接。这种方式可以保证数据传输的可靠性，但会增加一定的延迟和开销。
  2. 可靠性：TCP 协议采用了各种机制来保证数据传输的可靠性，例如数据确认、超时重传、流量控制等。
  3. 基于字节流：TCP 协议传输的是一个个字节流，没有消息边界，因此需要通过应用层协议来解决消息的分割和组装问题。
  4. 拥塞控制：TCP 协议会根据网络状况来动态地调整数据传输的速率，防止网络拥塞和数据丢失。
  5. 三次握手和四次挥手：TCP 协议建立连接时采用了三次握手的方式，断开连接时采用了四次挥手的方式，以保证数据的可靠传输和连接的正常关闭。
  6. TCP 标志位：TCP 协议中有一些标志位，用于控制数据传输的行为，例如 SYN、ACK、FIN 等。

image.png

功能

  1. 对应用层报文进行分段和重组；
  2. 面向应用层实现复用与分解；
  3. 实现端到端的流量控制；
  4. 拥塞控制；
  5. 传输层寻址；
  6. 对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）；
  7. 实现进程间的端到端可靠数据传输控制。

    特点

  • TCP是面向连接的协议；
  • TCP是面向字节流的协议；
  • TCP的一个连接有两端，即点对点通信；
  • TCP提供可靠的传输服务；
  • TCP协议提供全双工通信（每条TCP连接只能一对一）；

1.1 TCP 报文结构​

最大报文段长度：报文段中封装的应用层数据的最大长度。 image.png

  1. 源端口号（16 位）：指发送端口号。
  2. 目的端口号（16 位）：指接收端口号。
  3. 序列号（32 位）：指发送的第一个字节的序列号。用于排序和重组收到的数据。
  4. 确认号（32 位）：指期望收到的下一个字节的序列号。用于确认已经成功接收到的数据。
  5. 数据偏移（4 位）：指 TCP 报文头部的长度，以 4 字节为单位。最大长度为 15，因此 TCP 报文头部的最大长度为 60 字节。
  6. 保留位（6 位）：预留，必须为 0。
  7. 控制位（6 位）：用于控制 TCP 协议的行为，包括 SYN、ACK、FIN、RST、URG、PSH 等标志。
  8. 窗口大小（16 位）：指接收方可用于缓存数据的字节数，用于流量控制。
  9. 校验和（16 位）：用于校验 TCP 报文的完整性。
  10. 紧急指针（16 位）：用于指示紧急数据的位置，仅在 URG 控制位被设置时有效。
  11. 选项（可变长度）：可选的 TCP 报文选项，包括最大报文长度、时间戳等。

我们来个案例来理解一下：

Source Port: 1234 (0x04D2)
Destination Port: 80 (0x0050)
Sequence Number: 2486259810 (0x9443FB7A)
Acknowledgment Number: 1450201933 (0x567B5D5D)
Data Offset: 5 (0x50)
Flags: 0x18 (PSH, ACK)
Window Size: 65535 (0xFFFF)
Checksum: 0x836A
Urgent Pointer: 0

Data:
POST /login HTTP/1.1
Host: example.com
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Content-Length: 23
username=johndoe&password=secret

  • 源端口号：1234
  • 目的端口号：80
  • 序列号：2486259810
  • 确认号：1450201933
  • 数据偏移：5
  • 控制位：PSH, ACK (表示推送数据，并确认已经收到的数据)
  • 窗口大小：65535
  • 校验和：0x836A
  • 紧急指针：0

报文数据部分包括一个 HTTP POST 请求，用于向 example.com 发送登录信息，这个请求包括 HTTP 头部和表单数据。 TCP首部

  • 序号字段：TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号
  • 确认序号字段：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。用ack_seq标识；
  • TCP段的首部长度最短是20B ，最长为60字节。但是长度必须为4B的整数倍

TCP标记 image.png

1.2 TCP的可靠性​

  1. 序列号和确认应答机制：TCP 在传输数据时，使用序列号和确认应答机制来保证数据的可靠传输。发送方将每个数据段标记一个唯一的序列号，接收方通过发送确认应答来表示已经成功接收到该数据段。如果发送方没有收到确认应答，则会重新发送数据段，直到接收方成功接收为止。
  2. 超时重传机制：为了保证数据能够及时传输，TCP 协议还采用了超时重传机制。发送方在发送数据时会设置一个定时器，如果在规定的时间内没有收到接收方的确认应答，则会重新发送该数据段。
  3. 流量控制机制：为了防止发送方发送过多的数据导致接收方无法处理，TCP 还采用了流量控制机制。接收方会在每个确认应答中通知发送方自己当前可以接收的数据量，从而控制发送方的发送速度。
  4. 拥塞控制机制：TCP 还采用了拥塞控制机制，用于避免网络拥塞导致数据丢失和延迟。拥塞控制机制根据网络的拥塞程度动态调整发送方的发送速度，从而保证网络的稳定性和数据的可靠传输。

1.2.1 序列号与确认应答​

  • TCP 报文段中包含了序列号和确认应答号字段。TCP 使用序列号对发送的每个字节进行编号，从而将字节流转换成一个连续的数据流。同时，TCP 还使用确认应答机制来保证数据的可靠传输。接收方会在每个确认应答中发送确认应答号，表示已经成功接收到该数据段中的数据。
  • 通过序列号和确认应答机制，TCP 可以保证数据在传输过程中的可靠性。发送方将每个数据段标记一个唯一的序列号，接收方通过发送确认应答来表示已经成功接收到该数据段。如果发送方没有收到确认应答，则会重新发送数据段，直到接收方成功接收为止。

1.2.2 超时重传机制​

TCP 协议还采用了超时重传机制。发送方在发送数据时会设置一个定时器，如果在规定的时间内没有收到接收方的确认应答，则会重新发送该数据段。通过超时重传机制，TCP 可以保证即使在网络出现问题的情况下，数据仍能够被可靠地传输。

1.2.3 流量控制机制​

  • 为了防止发送方发送过多的数据导致接收方无法处理，TCP 还采用了流量控制机制。接收方会在每个确认应答中通知发送方自己当前可以接收的数据量，从而控制发送方的发送速度。
  • TCP 流量控制机制的核心在于接收方向发送方发送窗口大小信息，该信息表示接收方当前还可以接收多少字节的数据。发送方会根据接收方返回的窗口大小来调整发送速度，从而避免发送方发送过多的数据导致网络拥塞和数据丢失。

1.2.4 拥塞控制机制​

  • TCP 协议还采用了拥塞控制机制，用于避免网络拥塞导致数据丢失和延迟。拥塞控制机制根据网络的拥塞程度动态调整发送方的发送速度，从而保证网络的稳定性和数据的可靠传输。
  • TCP 拥塞控制机制的核心在于采用了四种算法：慢启动、拥塞避免、快速恢复和快速重传。其中，慢启动算法用于初始建立连接时，将发送方的发送速度逐渐加速，拥塞避免算法用于控制发送方的发送速度，当网络拥塞时，TCP 会自动将发送速度降低，快速恢复算法用于快速恢复拥塞窗口的大小，从而加速数据传输，快速重传算法用于快速重传丢失的数据包，避免等待超时重传导致的网络拥塞。

1.3 TCP的三次握手​

参考文章：我终于搞懂了TCP的三次握手和四次挥手 面试题：为啥需要三次握手？

  1. 第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发；
  2. 第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收；
  3. 第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收。

1.3.1 建立连接​

  • 第一次：客户向服务器发送连接请求段，建立连接请求控制段（SYN=1），表示传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x，此序列号代表整个报文段的序号（seq=x）；客户端进入 SYN_SEND （同步发送状态）；
  • 第二次：服务器发回确认报文段，同意建立新连接的确认段（SYN=1），确认序号字段有效（ACK=1），服务器告诉客户端报文段序号是y（seq=y），表示服务器已经收到客户端序号为x的报文段，准备接受客户端序列号为x+1的报文段（ack_seq=x+1）；服务器由LISTEN进入SYN_RCVD （同步收到状态）;
  • 第三次:客户端对服务器的同一连接进行确认.确认序号字段有效(ACK=1),客户端此次的报文段的序列号是x+1(seq=x+1),客户期望接受服务器序列号为y+1的报文段(ack_seq=y+1);当客户发送ack时，客户端进入ESTABLISHED 状态;当服务收到客户发送的ack后，也进入ESTABLISHED状态;第三次握手可携带数据;

image.png TCP 三次握手是在建立 TCP 连接时必须要进行的步骤。它的过程就像两个人打招呼一样：

  • 第一次握手：发送方向接收方发送一个“你好”（SYN）的信息，并告诉接收方自己的初始序列号（ISN）。
  • 第二次握手：接收方收到信息后向发送方发送一个“你好，我收到了”（SYN+ACK）的信息，同时告诉发送方自己的初始序列号（ISN）和确认序列号（ACK）。
  • 第三次握手：发送方再次向接收方发送一个确认信息“好的，我收到了”（ACK），表示接收方的确认信息已经收到。

通过这三次握手，发送方和接收方之间建立了一个可靠的连接，并且确认了彼此的身份和初始序列号。这样在后续的数据传输过程中，双方就可以相互确认数据是否传输成功，从而保证数据的可靠性。

1.4 TCP四次挥手​

释放连接

  • 第一次：客户向服务器发送释放连接报文段，发送端数据发送完毕，请求释放连接（FIN=1），传输的第一个数据字节的序号是x（seq=x）；客户端状态由ESTABLISHED进入FIN_WAIT_1（终止等待1状态）；
  • 第二次：服务器向客户发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），服务器传输的数据序号是y（seq=y），服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE_WAIT（关闭等待）； 客户端收到ACK段后，由FIN_WAIT_1进入FIN_WAIT_2；
  • 第三次:服务器向客户发送释放连接报文段，请求释放连接（FIN=1），确认字号段有效（ACK=1），表示服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack_seq=x+1）;表示自己传输的第一个字节序号是y+1（seq=y+1）；服务器状态由CLOSE_WAIT 进入 LAST_ACK （最后确认状态）；
  • 第四次：客户向服务器发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），表示客户传输的数据序号是x+1（seq=x+1），表示客户期望接收服务器数据序号为y+1+1（ack_seq=y+1+1）；客户端状态由FIN_WAIT_2进入TIME_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态；服务器在收到最后一次ACK后，由LAST_ACK进入CLOSED；

image.png TCP 四次挥手是在关闭 TCP 连接时必须要进行的步骤。它的过程就像两个人告别一样：

  • 第一次挥手：发送方向接收方发送一个“我要关闭连接了”（FIN）的信息，表示数据发送完毕，但是还可以接收数据。
  • 第二次挥手：接收方收到信息后向发送方发送一个“好的，我知道了”（ACK）的确认信息。
  • 第三次挥手：接收方向发送方发送一个“我也要关闭连接了”（FIN）的信息，表示自己也没有数据要发送了。
  • 第四次挥手：发送方收到信息后向接收方发送一个“好的，我知道了”（ACK）的确认信息，表示自己也知道对方已经关闭了连接。

通过这四次挥手，双方分别关闭了自己的发送和接收通道，并确认对方的关闭请求，最终彻底关闭了 TCP 连接。这样可以避免数据的丢失和重复传输，保证数据的完整性和可靠性。 image.png 为什么需要等待2MSL?

  • 最后一个报文没有确认；
  • 确保发送方的ACK可以到达接收方；
  • 2MSL时间内没有收到，则接收方会重发；
  • 确保当前连接的所有报文都已经过期。

1.5 TCP协议中的粘包和半包问题​

  • 粘包就是多个数据混淆在一起了，而且多个数据包之间没有明确的分隔，导致无法对这些数据包进行正确的读取。

  • 半包就是一个大的数据包被拆分成了多个数据包发送，读取的时候没有把多个包合成一个原本的大包，导致读取的数据不完整。

这种问题产生的原因可能有多种因素，从应用层到链路层中都有可能引起这个问题。

我们先要搞懂几个概念：

  1. TCP协议中的滑动窗口机制
  2. TCP协议中的Nagle算法
  3. 传输层中的MSS限制和链路层的MTU机制
  4. 应用层的发送方缓冲区和接收方缓冲区

下面我们先逐个介绍这些概念，然后再分析这些机制在什么情况下会引起粘包或半包问题。

1.TCP协议中的滑动窗口

TCP协议是一种可靠性传输协议，所以在传输数据的时候必须要等到对方的应答之后才能发送下一条数据，这种显然效率不高。

TCP协议为了解决这个传输效率的问题，引入了滑动窗口。滑动窗口就是在发送方和接收方都有一个缓冲区，这个缓冲区就是"窗口"，假设发送方的窗口大小是 0~100KB,那么发送数据的时候前100KB的数据不需要等到对方ACK应答即可全部发送。

如果发送的过程中收到了对方返回某个数据包的ACK，那么这个窗口会对应的向后滑动。比如刚开始的窗口大小是0~100KB，收到前20KB数据包的ACK之后，这个窗口就会滑动到20~120KB的位置，以此类推。这里还有一个小问题，如果发送方一直未接收到前20KB的ACK消息，那么在发送完0~100KB的数据之后，窗口就会卡在那里，这就是经典的队头阻塞问题，后续会讲解，本文重点不是这个，先有个印象。

接收方那里也有这么一个窗口，只会读取窗口内的数据并返回ACK，返回ACK后，接收窗口往后滑动。

对于TCP的滑动窗口，发送方的窗口起到了优化传输效率的作用，接收方的窗口起到了流量控制的作用。

2.传输层的MSS与链路层的MTU

MSS是传输层的最大报文长度限制，而MTU则是链路层的最大数据包大小限制，一般MTU会限制MSS，比如MTU=1500，那么MSS每次传输的数据包大小只能是MTU-40=1460(TCP报文头大小为40)。

有这个限制的原因是为了避免出现网络堵塞。因为网卡会有带宽限制，如果一次发送一个1GB大小的数据包，如果没有限制直接发送，就会导致网络堵塞，并且超出网络硬件设备单次传输数据的最大限制。

每次传输的数据包大小超过MSS大小时，就会自动切割这个数据包，将大的数据包拆分成多个小包。

3.TCP协议中的Nagle算法

有这么一种情况，每次发送的数据包都非常小，比如只有1个字节，但是TCP的报文头默认有40个字节，数据+报文头一共是41字节。如果这种较小的数据包经常出现，会造成过多的网络资源浪费。比如有1W个这样的数据包，那么总数据量中有400MB都是报文头，只有10MB是真正的数据。

所以TCP中引入了一种叫做Nagle的算法，如若连续几次发送的数据都很小，TCP会根据这个算法把多个数据合并成一个包发出，从而优化传输效率，避免网络资源浪费。

4.应用层的接收缓冲区和发送缓冲区

对于操作系统的IO函数而言，网络数据不管是发送或者接收，都不会去逐个读取，而是会先把接收/发送的数据放入到一个缓冲区中，然后批量进行操作。当然，发送和接收各自会对应有一个缓冲区。

假设现在要发送我叫王大锤，我在总结粘包和半包问题这组数据，操作系统的IO函数会挨个将他们写入到发送缓冲区。接收方也是这样，会将他们挨个从接收缓冲区中读取出来。

5.产生原因分析

搞清楚上面几个概念之后，我们再来分析一下为什么会产生粘包或者半包的问题

粘包：发送ABCD、EFGHIJK两个数据包，被接收成ABCDEFGHIJK一个数据包，多个包粘在一起。

  • 应用层：接收方的接收缓冲区太大，导致读取多个数据包一起输出。
  • TCP滑动窗口：接收方窗口较大，导致发送方发出的多个数据包处理不及时造成粘包
  • Nagle算法：由于发送方的单个数据包体积太小，导致多个包合并成一个包发送

半包：发送ABCDEFG一个数据包，被接收成ABC、DEFG两个数据包，一个包被拆成了多个。

  • 应用层：接收方缓冲区太小，无法存放发送发的单个数据包，因此拆开读取。
  • 滑动窗口：接收方的窗口太小，无法一次性放下完整的数据包，只能读取其中的一部分。
  • MSS限制：发送方的单个包大小超出了MSS限制，被拆分成了多个包

以上就是出现粘包和半包的根本原因，大部分都是TCP协议中的优化手段导致的，但是想要解决这个问题难道要重写TCP协议吗？这显然是不现实的。那么我们只能从应用层下手了，其实粘包半包问题都是由于数据包之间没有边界导致的，想要解决这个问题，我们只需要在每个数据包后面加上边界，然后接收方按照约定读取相应的边界符号进行读取即可。