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前端百题斩【037-039】——TCP知识点早知道

前端百题斩【037-039】——TCP知识点早知道

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写该系列文章的初衷是“让每位前端工程师掌握高频知识点,为工作助力”。这是前端百题斩的第37-39斩,希望朋友们关注公众号“前端点线面”,用知识武装自己的头脑。《前端百题斩(上)》pdf版已出炉了( ^_^ )

6. TCP和UDP的区别

TCP和UDP是传输层的两种协议,对于这两种协议有如下区别:

  1. 连接方面

TCP是面向连接的,而UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接;

  1. 数据传输可靠性方面

TCP提供可靠数据传输,通过使用流量控制、序号、确认和定时器,TCP确保正确的、按序的将数据从发送进程交付给接收进程;UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付;

  1. 实时性方面

UDP具有较好的实时性,工作效率比TCP高,适用于对高速传输和实时性比较高的通信或广播通信;

  1. 连接数量方面

每一条TCP连接只能是点对点的,UDP支持一对一,一对多,多对一和多对多的交互通信

  1. 资源需求方面

TCP对系统资源要求较多,UDP对系统资源要求较少。

7. TCP中流量控制和拥塞控制

TCP中有两个重要的策略:流量控制、拥塞控制,下面一起来看看这两个策略。

7.1 流量控制

1.为什么要提供流量控制服务

简单地说,提供流控就是为了避免接收方缓存溢出问题。接收方接收到数据后,会将其放入接收缓存中,待上层应用程序读取数据。但是上层应用可能忙于其他事务或者读取数据的速度比较慢,而发送方发送数据的太多,速率太快,此时就会导致接收方的缓存溢出。流量控制也是一个速率匹配服务。

2.TCP如何提供流量控制服务?

为了从整体上看问题,我们假设,TCP接收方会丢弃失序的报文。

(1)TCP让发送方A维护一个称为接收窗口(receive window)的变量来提供流量控制。这个窗口代表接收方B有多少可用的缓存空间;

(2)主机A和主机B之间建立TCP连接后,主机B为连接分配了一个接收缓存,用RevBuffer表示;

(3)定义如下变量

  • LastByteRead:主机B的应用进程从缓存中取出的数据流最后一个字节的编号
  • LastByteRevd:主机B缓存的数据流的最后一个字节编号

缓存不能溢出需满足

LastByteRevd - LastByteRead <= RevBuffer

接收窗口rwnd根据缓存可用空间设置:

rwnd = RevBuffer - [LastByteRevd-LastByteRead]

注意点:

(1)主机B通过把当前的rwnd放到它发送给主机A的报文段的接收窗口字段,已通知主机A当前它还有多少空间可用。

(2)主机A始终跟踪两个LastByteSend和LastByteAcked,[LastByteSend-LastByteAcked]就是主机A中发送但未被确认的数据量。使这个值小于主机B的rwnd,就可以使主机B的缓存不会溢出。

7.2 拥塞控制

  1. 拥塞控制定义

    TCP的发送方也可能会因为IP网络拥塞而被遏制,这种形式的控制被称为拥塞控制。

  2. 发生拥塞控制的原因

    资源(带宽、交换节点的缓存、处理机)的需求>可用资源。

  3. 拥塞的标志

    重传计时器超时或接收到三个重复确认。

  4. 慢启动

(1)慢启动不是指cwnd(拥塞窗口)的增长速度慢(指数增长),而是指TCP开始发送设置cwnd=1。

(2)思路

不要一开始就发送大量的数据,先探测一下网络的拥塞程度,也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小。

(3)为了防止cwnd增长过大引起网络拥塞,设置一个慢启动阈值

当cnwd<ssthresh,使用慢开始算法

当cnwd=ssthresh,既可使用慢开始算法,也可以使用拥塞避免算法

当cnwd>ssthresh,使用拥塞避免算法

  1. 拥塞避免

(1)拥塞避免并非完全能够避免拥塞,是说在拥塞避免阶段将拥塞窗口控制为按线性规律增长,使网络比较不容易出现拥塞。

(2)思路

让拥塞窗口cwnd缓慢地增大,即每经过一个往返时间RTT就把发送方的拥塞控制窗口加一。

无论是在慢开始阶段还是在拥塞避免阶段,只要发送方判断网络出现拥塞,就把慢开始门限设置为出现拥塞时的发送窗口大小的一半。然后把拥塞窗口设置为1,执行慢启动算法。

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  1. 快重传与快恢复

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(1)快重传

1)快重传要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认(为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方)而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定,发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段,而不必继续等待设置的重传计时器时间到期。

2)由于不需要等待设置的重传计时器到期,能尽早重传未被确认的报文段,能提高整个网络的吞吐量。

(2)快恢复(与快重传配合使用)

1)采用快恢复算法时,慢启动只在TCP连接建立时和网络出现超时时才使用。

2)当发送方连续收到三个重复确认时,就执行“乘法减小”算法,把ssthresh门限减半。但是接下去并不执行慢启动算法。

3)考虑到如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认,所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢启动算法,而是将cwnd设置为ssthresh的大小,然后执行拥塞避免算法。

  1. 拥塞窗口

发送方为一个动态变化的窗口叫做拥塞窗口,拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度。发送方让自己的发送窗口=拥塞窗口,但是发送窗口不是一直等于拥塞窗口的,在网络情况好的时候,拥塞窗口不断的增加,发送方的窗口自然也随着增加,但是接受方的接受能力有限,在发送方的窗口达到某个大小时就不在发生变化了。

7.3 拥塞控制和流量控制的区别

  1. 拥塞控制是防止过多的数据注入到网络中,可以使网络中的路由器或链路不致过载,是一个全局性的过程。
  2. 流量控制是点对点通信量的控制,是一个端到端的问题,主要就是抑制发送端发送数据的速率,以便接收端来得及接收。

8. TCP三次握手和四次挥手全过程

8.1 基础

了解TCP的三次握手、四次挥手之前需要先了解一些字段的含义,如下所示:

  1. 确认ACK:仅当ACK=1时,确认号字段才有效。TCP规定,在连接建立后所有报文的传输都必须把ACK置1;
  2. 同步SYN:在连接建立时用来同步序号。当SYN=1,ACK=0,表明是连接请求报文,若同意连接,则响应报文中应该使SYN=1,ACK=1;
  3. 终止FIN:用来释放连接。当FIN=1,表明此报文的发送方的数据已经发送完毕,并且要求释放;

8.2 三次握手

TCP客户端与服务器建立连接时要通过三次握手完成,最开始的时候客户端和服务器都是处于CLOSED状态。主动打开连接的为客户端,被动打开连接的是服务器。整个流程如下所示:

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  1. TCP服务器进程先创建传输控制块TCB(线程控制块),时刻准备接受客户进程的连接请求,此时服务器就进入了LISTEN(监听)状态;
  2. TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向服务器发出连接请求报文,这时报文首部中的同部位SYN=1,同时选择一个初始序列号 seq=x ,此时,TCP客户端进程进入了 SYN-SENT(同步已发送状态)状态。TCP规定,SYN报文段(SYN=1的报文段)不能携带数据,但需要消耗掉一个序号。
  3. TCP服务器收到请求报文后,如果同意连接,则发出确认报文。确认报文中应该 ACK=1,SYN=1,确认号是ack=x+1,同时也要为自己初始化一个序列号 seq=y,此时,TCP服务器进程进入了SYN-RCVD(同步收到)状态。这个报文也不能携带数据,但是同样要消耗一个序号。
  4. TCP客户进程收到确认后,还要向服务器给出确认。确认报文的ACK=1,ack=y+1,自己的序列号seq=x+1,此时,TCP连接建立,客户端进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。TCP规定,ACK报文段可以携带数据,但是如果不携带数据则不消耗序号。
  5. 当服务器收到客户端的确认后也进入ESTABLISHED状态,此后双方就可以开始通信了。

扩展:为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢?

主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器,从而产生错误。

如果使用的是两次握手建立连接,假设有这样一种场景,客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失,只是因为在网络结点中滞留的时间太长了,由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文,以为服务器没有收到,此时重新向服务器发送这条报文,此后客户端和服务器经过两次握手完成连接,传输数据,然后关闭连接。此时此前滞留的那一次请求连接,网络通畅了到达了服务器,这个报文本该是失效的,但是,两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接,这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手,就算是那一次失效的报文传送过来了,服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文,但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认,就知道客户端并没有请求连接。

8.3 四次挥手

当TCP要断开连接时,需要四次挥手才能够完成。

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  1. 客户端进程发出连接释放报文,并且停止发送数据。释放数据报文首部,FIN=1,其序列号为seq=u(等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1),此时,客户端进入FIN-WAIT-1(终止等待1)状态。 TCP规定,FIN报文段即使不携带数据,也要消耗一个序号。
  2. 服务器收到连接释放报文,发出确认报文,ACK=1,ack=u+1,并且带上自己的序列号seq=v,此时,服务端就进入了CLOSE-WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器通知高层的应用进程,客户端向服务器的方向就释放了,这时候处于半关闭状态,即客户端已经没有数据要发送了,但是服务器若发送数据,客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间,也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
  3. 客户端收到服务器的确认请求后,此时,客户端就进入FIN-WAIT-2(终止等待2)状态,等待服务器发送连接释放报文(在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据)。
  4. 服务器将最后的数据发送完毕后,就向客户端发送连接释放报文,FIN=1,ack=u+1,由于在半关闭状态,服务器很可能又发送了一些数据,假定此时的序列号为seq=w,此时,服务器就进入了LAST-ACK(最后确认)状态,等待客户端的确认。
  5. 客户端收到服务器的连接释放报文后,必须发出确认,ACK=1,ack=w+1,而自己的序列号是seq=u+1,此时,客户端就进入了TIME-WAIT(时间等待)状态。注意此时TCP连接还没有释放,必须经过2MSL(最长报文段寿命)的时间后,当客户端撤销相应的TCB后,才进入CLOSED状态。
  6. 服务器只要收到了客户端发出的确认,立即进入CLOSED状态。同样,撤销TCB后,就结束了这次的TCP连接。可以看到,服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

扩展:为什么客户端最后要等待2MSL?

MSL(Maximum Segment Lifetime),TCP允许不同的实现可以设置不同的MSL值。

第一,保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器,因为这个ACK报文可能丢失,站在服务器的角度看来,我已经发送了FIN+ACK报文请求断开了,客户端还没有给我回应,应该是我发送的请求断开报文它没有收到,于是服务器又会重新发送一次,而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文,接着给出回应报文,并且会重启2MSL计时器。

第二,防止类似与“三次握手”中提到的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后,在这个2MSL时间中,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。

8.4 扩展

  1. 为什么建立连接是三次握手,关闭连接是四次挥手呢?

建立连接的时候, 服务器在LISTEN状态下,收到建立连接请求的SYN报文后,把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。

而关闭连接时,服务器收到对方的FIN报文时,仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据,而自己也未必全部数据都发送给对方了,所以己方可以立即关闭,也可以发送一些数据给对方后,再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接,因此,己方ACK和FIN一般都会分开发送,从而导致多了一次。

  1. 如果已经建立了连接,但是客户端突然出现故障了怎么办?

TCP还设有一个保活计时器,显然,客户端如果出现故障,服务器不能一直等下去,白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器,时间通常是设置为2小时,若两小时还没有收到客户端的任何数据,服务器就会发送一个探测报文段,以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应,服务器就认为客户端出了故障,接着就关闭连接。

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