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      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      首页 知识中心 大数据 文章详情页

      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      2025-04-01 10:28:07 阅读次数:10

      TCP,数据包,窗口

      你是一台电脑,你的名字叫 A图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?这就是物理层、数据链路层、网络层这三层所做的事情。站在第四层的你,就可以利用下三层所做的铺垫,随心所欲地发送数据,而不必担心找不到对方了。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?虽然你此时还什么都没干,但你还是给自己这一层起了个响亮的名字,叫做传输层。你本以为自己所在的第四层万事大吉,啥事没有,但很快问题就接踵而至。

      问题来了

      前三层协议只能把数据包从一个主机搬到另外一台主机,但是,到了目的地以后,数据包具体交给哪个程序(进程)呢?

      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      所以,你需要把通信的进程区分开来,于是就给每个进程分配一个数字编号,你给它起了一个响亮的名字:端口号。

      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      然后你在要发送的数据包上,增加了传输层的头部,源端口号与目标端口号。
      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?但很快,你发现事情变得非常复杂......

      丢包问题



       

      由于网络的不可靠,数据包可能在半路丢失,而 A 和 B 却无法察觉。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?你管它叫停止等待协议。只要按照这个协议来,虽然 A 无法保证 B 一定能收到包,但 A 能够确认 B 是否收到了包,收不到就重试,尽最大努力让这个通信过程变得可靠,于是你们现在的通信过程又有了一个新的特征,可靠交付。

      效率问题

      停止等待虽然能解决问题,但是效率太低了,A 原本可以在发完第一个数据包之后立刻开始发第二个数据包,但由于停止等待协议,A 必须等数据包到达了 B ,且 B 的 ACK 包又回到了 A,才可以继续发第二个数据包,这效率慢得可不是一点两点。于是你对这个过程进行了改进,采用流水线的方式,不再傻傻地等。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      顺序问题

      但是网路是复杂的、不可靠的。有的时候 A 发出去的数据包,分别走了不同的路由到达 B,可能无法保证和发送数据包时一样的顺序。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?而 B 这个确认号意味深长:比如 B 发了一个确认号为 ack = 3,它不仅仅表示 A 发送的序号为 2 的包收到了,还表示 2 之前的数据包都收到了。这种方式叫累计确认或累计应答。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?注意,实际上 ack 的号是收到的最后一个数据包的序号 seq + 1,也就是告诉对方下一个应该发的序号是多少。但图中为了便于理解,ack 就表示收到的那个序号,不必纠结。

      流量问题

      有的时候,A 发送数据包的速度太快,而 B 的接收能力不够,但 B 却没有告知 A 这个情况。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?B 告诉了 A 自己的窗口大小值,A 怎么利用它去做 A 这边发包的流量控制呢?很简单,假如 B 给 A 传过来的窗口大小 win = 5,那 A 根据这个值,把自己要发送的数据分成这么几类。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?但是当 A 不断发包的同时,A 也会收到来自 B 的确认包,此时整个窗口会往右移动,因此上边界也往右移动,A 就能发更多的数据包了。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?如果 A 收到了比原窗口值小的窗口大小,比如 win = 4,则 A 暂时不会改变窗口大小,更不会将窗口上边界向左移动,而是等着 ACK 的到来,不断将左边界向右移动,直到窗口大小值收缩到新大小为止。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?OK,终于将流量控制问题解决得差不多了,你看着上面一个个小动图,给这个窗口起了一个更生动的名字,滑动窗口。

      拥塞问题

      但有的时候,不是 B 的接受能力不够,而是网络不太好,造成了网络拥塞。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?拥塞窗口大小的计算有很多复杂的算法,就不在本文中展开了,假如拥塞窗口的大小为  cwnd,上一部分流量控制的滑动窗口的大小为 rwnd,那么窗口的右边界受这两个值共同的影响,需要取它俩的最小值。窗口大小 = min(cwnd, rwnd)含义很容易理解,当 B 的接受能力比较差时,即使网络非常通畅,A 也需要根据 B 的接收能力限制自己的发送窗口。当网络环境比较差时,即使 B 有很强的接收能力,A 也要根据网络的拥塞情况来限制自己的发送窗口。正所谓受其短板的影响嘛~

      连接问题

      有的时候,B 主机的相应进程还没有准备好或是挂掉了,A 就开始发送数据包,导致了浪费。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?这个问题在于,A 在跟 B 通信之前,没有事先确认 B 是否已经准备好,就开始发了一连串的信息。就好比你和另一个人打电话,你还没有"喂"一下确认对方有没有在听,你就巴拉巴拉说了一堆。这个问题该怎么解决呢?地球人都知道,三次握手嘛!

      A:我准备好了(SYN)

      B:我知道了(ACK),我也准备好了(SYN)

      A:我知道了(ACK)

      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?A 与 B 各自在内存中维护着自己的状态变量,三次握手之后,双方的状态都变成了连接已建立(ESTABLISHED)。虽然就只是发了三次数据包,并且在各自的内存中维护了状态变量,但这么说总觉得太 low,你看这个过程相当于双方建立连接的过程,于是你灵机一动,就叫它面向连接吧。注意:这个连接是虚拟的,是由 A 和 B 这两个终端共同维护的,在网络中的设备根本就不知道连接这回事儿!但凡事有始就有终,有了建立连接的过程,就要考虑释放连接的过程,又是地球人都知道,四次挥手嘛!

      A:再见,我要关闭了(FIN)

      B:我知道了(ACK)

           给 B 一段时间把自己的事情处理完...

      B:再见,我要关闭了(FIN)

      A:我知道了(ACK)

      图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?

      总结

      以上讲述的,就是 TCP 协议的核心思想,上面过程中需要传输的信息,就体现在 TCP 协议的头部,这里放上最常见的 TCP 协议头解读的图。图解 | 你管这破玩意儿叫TCP?最后留给大家一个作业,模拟 A 与 B 建立一个 TCP 连接。

      第一题:A 给 B 发送 "aaa" ,然后 B 给 A 回复一个简单的字符串 "success",并将此过程抓包。

      第二题:A 给 B 发送 "aaaaaa ... a" 超过最大报文段大小,然后 B 给 A 回复一个简单的字符串 "success",并将此过程抓包。

      下面是我抓的包(第二题)

      三次握手阶段

      A -> B [SYN] Seq=0 Win=64240 Len=0

                              MSS=1460 WS=256

      B - >A [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=29200 Len=0

                              MSS=1424 WS=512

      A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=0

      数据发送阶段

      A -> B [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=132352 Len=1424

      A -> B [ACK] Seq=1425 Ack=1 Win=132352 Len=1424

      A -> B [PSH, ACK] Seq=2849 Ack=1 Win=132352 Len=1247

      B -> A [ACK] Seq=1 Ack=1425 Win=32256 Len=0

      B -> A [ACK] Seq=1 Ack=2849 Win=35328 Len=0

      B -> A [ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=0

      B -> A [PSH, ACK] Seq=1 Ack=4096 Win=37888 Len=7

      四次挥手阶段

      B -> A [FIN, ACK] Seq=8 Ack=4096 Win=37888 Len=0

      A -> B [ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0

      A -> B [FIN, ACK] Seq=4096 Ack=9 Win=132352 Len=0(下面少复制了一行ACK,抱歉)

      后

      一提到 TCP,可能很多人都想起被三次握手和四次挥手所支配的恐惧。但其实你跟着文中的思路你就会发现,三次握手与四次挥手只占 TCP 所解决的核心问题中很小的一部分,只是因为它在面试中很适合作为知识点进行考察,所以在很多人的印象中就好像 TCP 的核心就是握手和挥手似的。
      版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://blog.51cto.com/MageByte/2930624,作者:码哥字节1024,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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