TCP协议学习

304 阅读5分钟

什么是TCP协议

传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

三次握手

当服务端与客户端建立链接时,需要经过三次握手的过程:

  1. A向B发送同步数据的请求,A -----SYN------> B
  2. B向A发送同步数据请求+确认,B -----SYN+ACK------> A
  3. A向B发送确认,A -----ACK------> B

过程如下图

当三次握手完成后,客户端与服务端各自会开辟出一块儿缓存区,用于服务上层应用程序来接受和发送请求,如此双方便建立了可靠的连接

为什么不是两次握手或者四次握手?

首先我们要明确的一点是,TCP的核心思想为:既要保证数据可靠传输,又要提高传输的效率,而用三次恰恰可以满足以上两方面的需求

TCP报文是交由IP网络来负责运输,IP网络并不能保证TCP报文一定能够到达目的地,所以需要TCP自行确认报文是否发送到目的地,因此无论哪一方收到请求之后都需要返回ack确认码来告诉对方已经收到信息,所以两次握手是无法达到核心思想中两方面的需求

TCP看似复杂,其实可以归纳为以下5种报文:

  1. SYN

  2. Data (唯一携带用户数据)

  3. FIN

  4. Reset

  5. ACK

其中1、2、3分别为建立连接、数据传输、断开连接,这三种报文对方接收到一定要ACK确认,为何要确认,因为这就是可靠传输的依赖的机制。如果对方在超时时间内不确认,发送方会一直重传,直到对方确认为止、或到达重传上限次数而Reset连接。

4、5 为重置连接报文、确认ACK报文,这两种报文对方接收到要ACK确认吧?不需要!自然发送方也不会重传这2种类型的报文。

为何Reset报文不需要ACK确认?

因为发送Reset报文的一端,在发送完这个报文之后,和该TCP Session有关的内存结构体瞬间全部释放,无论对方收到或没有收到,关系并不大。

如果对方收到Reset报文,也会释放该TCP Session 的相关内存结构体。

如果对方没有收到Reset 报文,可能会继续发送让接收方弹射出Reset报文的报文,到最后对方一样会收到Reset 报文,并最终释放内存。

为何ACK报文不需要ACK确认?

这里的ACK报文,是指没有携带任何数据的裸ACK报文,对方收到这样的ACK报文,自然也不需要ACK。否则,对方为了ACK己方的ACK,那己方收到对方的ACK,也要ACK对方的ACK,这就是一个死循环,永无止息。

所以为了避免这个死循环,一律不允许ACK对方的裸ACK报文。

那么按照这么说,TCP连接应该是四次消息交互啊。

  1. A 发送SYN报文给B,这是第一次报文交互。

  2. B发送ACK确认A的SYN报文,这是第二次报文交互

  3. B发送自己的SYN报文给A,这是第三次报文交互

  4. A需要ACK确认B的SYN报文,这是第四次报文交互

以上的演绎没有问题,但是报文2、3为何要分开发送呢?增加了延迟不说,同时还白白浪费了网络的带宽,完全可以将报文2、3合并起来,不就是在报文2的ACK状态位的位置置“1”就结了吗?

这就是三次消息交互的由来!

四次挥手

当客户端与服务器断开链接时,需要经过四次挥手的过程

  1. A向B发送中止请求,A -----FIN------> B
  2. B向A发送确认,B -----ACK------> A
  3. B向A发送中止请求,B -----FIN------> A
  4. A向B发送确认,A -----ACK------> B

经过四次挥手之后,AB双方会释放掉三次握手时所建立的缓存,因此连接也就不复存在了

那为什么在握手的时候第2、3步可以合并,但是挥手时却不能合并呢

  1. 第一次挥手:当主动方发送断开连接的请求(即FIN报文)给被动方时,仅仅代表主动方不会再发送数据报文了,但主动方仍可以接收数据报文。
  2. 第二次挥手:被动方此时有可能还有相应的数据报文需要发送,因此需要先发送ACK报文,告知主动方“我知道你想断开连接的请求了”。这样主动方便不会因为没有收到应答而继续发送断开连接的请求(即FIN报文)。
  3. 第三次挥手:被动方在处理完数据报文后,便发送给主动方FIN报文;这样可以保证数据通信正常可靠地完成。发送完FIN报文后,被动方进入LAST_ACK阶段(超时等待)
  4. 第四次挥手:如果主动方及时发送ACK报文进行连接中断的确认,这时被动方就直接释放连接,进入可用状态。

这里需要注意一点,TCP的报文是会存在叠加的情况,即有可能会看到2和3同时出现在同一次请求中,但是这并不代表四次挥手变为了三次挥手,2和3之间已经没有了数据报文的发送,2和3的报文出现了叠加状态(这是我自己的理解)