TCP协议综合笔记

第二章，TCP协议

TCP----传输控制协议

是一种面向连接的可靠传输协议

面向连接：指的是数据传输之前，收发双方需要先建立一条逻辑通路

无面向连接：指的是数据可以自由传输，无需建立逻辑通路

TCP是在不可靠的IP层之上，实现可靠的数据传输能力。数据有序、无丢失、不重复

• TCP提供全双工通信
  • 发送缓存
    • 存放发送应用程序传输给发送方TCP准备发送的数据
    • 存放TCP已发送但是尚未收到确认的数据
  • 接收缓存
    • 不按序到达的数据
    • 按序到达，但未被应用程序接收的数据

• TCP是面向字节流的

 

四元组：源IP、源端口、目IP、目端口。四元组是用来建立一个完整的TCP连接

TCP报文段

tcp既可以运载数据，又可以用来建立连接、释放连接和应答

TCP首部信息，最短20字节

序列号：可以理解为字节流的编号。每发送一个字节的数据，序列号＋1

确认序列号：是收到的报文的序列号+收到的数据部分字节大小

确认机制：每收到一个发送方发出的数据，都需要回复一个确认报文。

1、表明接收方期望收到发送方发送的下一个字节的序号

2、代表接收方已经收到了确认序列号之前的所有字节数据

数据偏移：TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处的距离，其本质是在描述TCP首部大小

紧急指针l：与控制位中的URG字段共同使用，当URG=1时，紧急指针有效

       紧急数据会被TCP放置在数据部分的最前方，即从第0个字节开始，而紧急指针是为了表明紧急数据的结束位置

例如：紧急指针为70，则紧急数据位置为0字节到69字节

选项字段：最大报文段长度MSS；窗口扩大因子；时间戳；确认机制

标志位：

• 紧急位URG：报文段中包含紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传输，不在缓存队列中排队
• 确认位ACK：当确认位置为1，则确认序列号有意义在连接以后所有传输的报文段都必须把ACK置位1。
• 推送位PSH：接收方应尽快将数据交付给应用程序，不再等待缓存填满再向上提交。
• 复位RST：表明TCP连接中出现错误，必须释放连接，然后重新建立连接
• 同部位SYN：表明这是一个连接请求报文
• 终止位FIN：表明发送方数据已完全发送，要求释放连接

TCP可靠性

确认、重传、排序、流控

排序机制

MSS：数据段中携带的数据字节最大段长度

最大字节数由MSS控制。该参数是需要在TCP连接握手的过程中，通过前两次SYN报文段来进行参数协商

如果双方的MSS数值不同，则选择数值较小的作为传输标准

MSS受到MTU的限制

MTU：最大传输单元

指的是数据链路层在封装成帧时所允许携带的最大数据量，在以太网中，MTU数值为1500字节

MSS===MTU-IP首部-TCP首部

分片：这个操作是由网络层的IP协议来执行

分段：这个操作是由传输层的TCP协议来执行

确认机制

       是TCP保障可靠性的核心点。

       TCP协议保证对方能够收到本端发送的数据段的方式，就是让对方回复一个确认报文段,这是确认机制的做法

       确认报文是唯一一种不需要被确认的数据段信息。

重传机制

RTT/RTO

     超时重传----当超过一定时间未收到确认报文，则触发重传机制。

     超时重传的判断时间依据RTT(往返时间)参数来判断。RTO被称为超时重传时间

     RTT---指的是发送端将数据发出后，到他接收到对端反馈的确认报文之间的这段时间

     RTO取值应该略大于RTT，但是也不能太大。RTT并非是固定数值，他是动态变化的数值

     超时间隔加倍机制。当连续多次未收到确认报文，设备会认为是网络拥塞过大，将重传时间加倍，因为如果按照原本的重传时间发送报文，很可能造成网络拥塞的加剧

快速重传机制

        在TCP中，发送方可以通过接收方的反馈，在超时时间到达前，意识到数据包丢失的现象，并进行重传。这种情况一般出现在接收端收到一个失序报文的情况下。

        快速重传机制不是因为RTO时间到达而触发，这种重传机制是以数据包为驱动的一种重传机制。

        当接收方意识到自己所期望的报文段丢失，服务器不能调取失序报文，并且不能确认这些报文信息。

         因为TCP协议无法直接发送一个否认确认报文（没有办法直接发送一个数据报文段，告诉对端自己哪个报文没有收到），所以，TCP将采用冗余ACK的方式来完成缺失报文通告。

SACK机制---选择确认机制

       TCP在可选项字段中，添加了一个变量。该变量中携带的就是自己已经收到的数据信息

       TCP的确认是累积确认机制，正确接收失序的报文段是不会被接收方逐个确认的。因此，发送方在重传的时候，需要将冗余ACK报文及之后的报文段都重新发送一遍----导致资源浪费

        选择确认机制，不是所有运行TCP协议的设备都支持的。该机制会在TCP三次握手的前两次SYN报文中进行协商

TCP的流量控制机制

是属于TCP的传输效率问题。

滑动窗口

TCP头部中的”窗口值“是TCP实现流控的核心参数。

     窗口的大小是可以指定的，该参数的大小指的是无需等待确认应答，而可以继续发送数据包的最大量。

窗口的大小，其实体现的就是接收缓存区的大小。

     TCP要求发送方依据对方的接收窗口(rwnd)来控制数据的发送量。最初TCP的接口窗口===接收缓存区大小。接口窗口会随着时间的增长而动态变化。

如何提高网络利用率

延迟确认应答机制

       收到数据以后不立即返回确认报文，而是延迟一段时间。

• 在没有收到2*MSS的数据为止，不做确认应答。
• 其他情况，最大延迟0.5秒发送确认应答。

捎带应答

        TCP的确认应答和回执数据可以通过一个数据包进行发送。

        延迟确认机制和捎带应答一般共同使用。

1. TCP协议概述

传输控制协议（TCP） 是一种面向连接的、可靠的传输协议，确保数据传输的 有序性、无丢失、不重复。

TCP 在不可靠的IP层之上，提供可靠的端到端数据传输。

它是全双工通信，并通过发送缓存和接收缓存管理数据的发送和接收。

TCP 是面向字节流的协议。

 

2. TCP 报文段和首部

TCP 报文段不仅传输数据，还用于建立连接、释放连接和应答。

TCP 首部最短为 20 字节，包含序列号、确认序列号、标志位、窗口大小等重要字段。

核心字段：

序列号：用于标识字节流的编号，每发送一个字节，序列号 +1。

确认序列号：标识接收方期望接收的下一个字节序号，同时代表接收方已成功收到此前的所有字节。

数据偏移：描述 TCP 报文段的数据起始处，即首部大小。

标志位：用于控制数据传输的状态，如紧急位（URG）、确认位（ACK）、推送位（PSH）、复位位（RST）、同步位（SYN）、终止位（FIN）。

 

3. TCP 可靠性机制

确认机制：通过确认报文来保证发送的数据段被正确接收。

重传机制：

     超时重传（基于 RTT 和 RTO）：如果在超时之前没有收到确认报文，将进行重传。

     快速重传：在接收方收到失序数据时，通过冗余确认机制触发重传，而非等待超时。

     SACK（选择性确认机制）：优化重传过程，只重传未被确认的部分数据，减少资源浪费。

 

4. TCP的流量控制机制

      滑动窗口机制：通过窗口大小来控制无需确认即可发送的数据量，避免发送数据超过接收方缓存能力。窗口值反映的是接收方的接收缓存区大小。

      延迟确认机制：延迟发送确认报文，等待接收更多数据以提高效率。

      捎带应答机制：确认报文与数据回执可通过同一个数据包发送，进一步提高网络利用率。

 

5. TCP的分段与分片

MSS（最大报文段长度） 控制每个TCP 数据段中可携带的最大字节数。

MTU（最大传输单元） 是链路层所能传输的最大数据帧。TCP 通过分段机制与 IP 层的分片机制配合传输数据。

 

6. TCP三次握手与四次挥手

三次握手：用于建立连接，双方交换控制信息（如初始序列号等），确保通信的可靠性。

四次挥手：用于释放连接，确保所有数据都被正确传输和接收。

 

7. 提高网络效率

延迟确认：在接收到一定量的数据后再发送确认应答，提高应答效率。

捎带应答：减少确认报文和数据报文的分离，节省传输资源。