做IT相關(guān)的工作,，肯定都離不開網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)中最重要的協(xié)議是TCP,。無論是實際工作還是筆試面試，你看哪里能少得了TCP?我看過RFC中與TCP相關(guān)的文檔,，也看過linux中TCP相關(guān)的源碼,，也看過不少框架中的TCP相關(guān)的代碼，對TCP是有點感覺了,。

　　一直想找個時間來分享下TCP相關(guān)的知識,，如果大家有疑問，歡迎相互交流,。其實,，搞透了TCP之后，發(fā)現(xiàn)它也就那么回事,。

　　考慮最簡單的情況：兩臺主機之間的通信,。這個時候只需要一條網(wǎng)線把兩者連起來，規(guī)定好彼此的硬件接口,，如都用USB,、電壓10v、頻率2.4GHz等,，這一層就是物理層,，這些規(guī)定就是物理層協(xié)議。

　　我們當然不滿足于只有兩臺電腦連接,，因此我們可以使用交換機把多個電腦連接起來,，如下圖：

　　這樣連接起來的網(wǎng)絡(luò)，稱為局域網(wǎng),，也可以稱為以太網(wǎng)（以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種）,。在這個網(wǎng)絡(luò)中，我們需要標識每個機器,，這樣才可以指定要和哪個機器通信,。這個標識就是硬件地址MAC。硬件地址隨機器的生產(chǎn)就被確定，永久性唯一,。在局域網(wǎng)中,，我們需要和另外的機器通信時，只需要知道他的硬件地址,，交換機就會把我們的消息發(fā)送到對應(yīng)的機器,。

　　這里我們可以不管底層的網(wǎng)線接口如何發(fā)送，把物理層抽離,，在他之上創(chuàng)建一個新的層次,，這就是數(shù)據(jù)鏈路層。

　　我們依然不滿足于局域網(wǎng)的規(guī)模,，需要把所有的局域網(wǎng)聯(lián)系起來,，這個時候就需要用到路由器來連接兩個局域網(wǎng)：

　　但是如果我們還是使用硬件地址來作為通信對象的唯一標識，那么當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大,，需要記住所有機器的硬件地址是不現(xiàn)實的,；同時，一個網(wǎng)絡(luò)對象可能會頻繁更換設(shè)備,，這個時候硬件地址表維護起來更加復(fù)雜,。這里使用了一個新的地址來標記一個網(wǎng)絡(luò)對象：IP地址。

　　通過一個簡單的寄信例子來理解IP地址,。

　　我住在北京市,，我朋友A住在上海市，我要給朋友A寫信：

　　寫完信,，我會在信上寫好我朋友A的地址,，并放到北京市郵局（給信息附加目標IP地址，并發(fā)送給路由器）

　　郵局會幫我把信運輸?shù)缴虾Ｊ挟數(shù)剜]局（信息會經(jīng)過路由傳遞到目標IP局域網(wǎng)的路由器）

　　上海市當?shù)芈酚善鲿臀野研沤唤o朋友A（局域網(wǎng)內(nèi)通信）

　　因此,，這里IP地址就是一個網(wǎng)絡(luò)接入地址（朋友A的住址）,，我只需要知道目標IP地址,，路由器就可以把消息給我?guī)У健?strong>在局域網(wǎng)中,，就可以動態(tài)維護一個MAC地址與IP地址的映射關(guān)系，根據(jù)目的IP地址就可以尋找到機器的MAC地址進行發(fā)送,。

　　這樣我們不需管理底層如何去選擇機器,，我們只需要知道IP地址，就可以和我們的目標進行通信,。這一層就是網(wǎng)絡(luò)層,。網(wǎng)絡(luò)層的核心作用就是提供主機之間的邏輯通信。這樣,，在網(wǎng)絡(luò)中的所有主機,，在邏輯上都連接起來了，上層只需要提供目標IP地址和數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層就可以把消息發(fā)送到對應(yīng)的主機,。

　　一個主機有多個進程,，進程之間進行不同的網(wǎng)絡(luò)通信，如邊和朋友開黑邊和女朋友聊微信,。我的手機同時和兩個不同機器進行通信,。那么當我的手機收到數(shù)據(jù)時，如何區(qū)分是微信的數(shù)據(jù),，還是王者的數(shù)據(jù),？那么就必須在網(wǎng)絡(luò)層之上再添加一層：運輸層 ：

　　運輸層通過socket（套接字），將網(wǎng)絡(luò)信息進行進一步的拆分,，不同的應(yīng)用進程可以獨立進行網(wǎng)絡(luò)請求,，互不干擾。這就是運輸層的最本質(zhì)特點：提供進程之間的邏輯通信,。這里的進程可以是主機之間,，也可以是同個主機，所以在android中,，socket通信也是進程通信的一種方式,。

　　現(xiàn)在不同的機器上的應(yīng)用進程之間可以獨立通信了，那么我們就可以在計算機網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)出形形式式的應(yīng)用：如web網(wǎng)頁的http,，文件傳輸ftp等等,。這一層稱為應(yīng)用層。

　　應(yīng)用層還可以進一步拆分出表示層,、會話層,，但他們的本質(zhì)特點都沒有改變：完成具體的業(yè)務(wù)需求 。和下面的四層相比,，他們并不是必須的,，可以歸屬到應(yīng)用層中。

　　最后對計網(wǎng)分層進行小結(jié)：

　　最底層物理層,，負責兩個機器之間通過硬件的直接通信,；

　　數(shù)據(jù)鏈路層使用硬件地址在局域網(wǎng)中進行尋址，實現(xiàn)局域網(wǎng)通信,；

　　網(wǎng)絡(luò)層通過抽象IP地址實現(xiàn)主機之間的邏輯通信,；

　　運輸層在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行拆分,，實現(xiàn)應(yīng)用進程的獨立網(wǎng)絡(luò)通信,；

　　應(yīng)用層在運輸層的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的需求開發(fā)形形式式的功能,。

　　這里需要注意的是,，分層并不是在物理上的分層,，而是邏輯上的分層。通過對底層邏輯的封裝,，使得上層的開發(fā)可以直接依賴底層的功能而無需理會具體的實現(xiàn),，簡便了開發(fā)。

　　這種分層的思路,，也就是責任鏈設(shè)計模式,，通過層層封裝，把不同的職責獨立起來,，更加方便開發(fā),、維護等等。okHttp中的攔截器設(shè)計模式,，也是這種責任鏈模式,。

　　/ 運輸層 /

　　本文主要是講解TCP，這里需要增加一些運輸層的知識,。

　　本質(zhì)：提供進程通信

　　在運輸層之下的網(wǎng)絡(luò)層,，是不知道該數(shù)據(jù)包屬于哪個進程，他只負責數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送,。運輸層則負責接收不同進程的數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)層,，同時把網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)拆分交給不同的進程。從上往下匯聚到網(wǎng)絡(luò)層,，稱為多路復(fù)用,，從下往上拆分，稱為多路拆分,。

　　運輸層的表現(xiàn),，受網(wǎng)絡(luò)層的限制。這很好理解,，網(wǎng)絡(luò)層是運輸層的底層支持,。所以運輸層是無法決定自己帶寬、時延等的上限,。但可以基于網(wǎng)絡(luò)層開發(fā)更多的特性：如可靠傳輸,。網(wǎng)絡(luò)層只負責盡力把數(shù)據(jù)包從一端發(fā)送到另一端，而不保證數(shù)據(jù)可以到達且完整,。

　　底層實現(xiàn)：socket

　　前面講到,，最簡單的運輸層協(xié)議,，就是提供進程之間的獨立通信 ,，但底層的實現(xiàn)，是socket之間的獨立通信,。在網(wǎng)絡(luò)層中,，IP地址是一個主機邏輯地址,，而在運輸層中，socket是一個進程的邏輯地址,；當然,，一個進程可以擁有多個socket。應(yīng)用進程可以通過監(jiān)聽socket,，來獲取這個socket接受到的消息,。

　　socket并不是一個實實在在的東西，而是運輸層抽象出來的一個對象,。運輸層增加了端口這個概念,，來區(qū)分不同的socket。端口可以理解為一個主機上有很多的網(wǎng)絡(luò)通信口,，每個端口都有一個端口號,，端口的數(shù)量由運輸層協(xié)議確定。

　　不同的運輸層協(xié)議對socket有不同的定義方式,。在UDP協(xié)議中,，使用目標IP+目標端口號來定義一個socket；在TCP中使用目標IP+目標端口號+源IP+源端口號來定義一個socket,。我們只需要在運輸層報文的頭部附加上這些信息,，目標主機就會知道我們要發(fā)送給哪個socket，對應(yīng)監(jiān)聽該socket的進程就可獲得信息,。

　　運輸層協(xié)議

　　運輸層的協(xié)議就是大名鼎鼎的TCP和UDP,。其中，UDP是最精簡的運輸層協(xié)議,，只實現(xiàn)了進程間的通信,；而TCP在UDP的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了可靠傳輸,、流量控制,、擁塞控制、面向連接等等特性,，同時也更加復(fù)雜,。

　　當然除此之外，還有更多更優(yōu)秀的運輸層協(xié)議,，但目前廣為使用的,，就是TCP和UDP。UDP在后面也會總結(jié)到,。

　　/ TCP協(xié)議首部 /

　　TCP協(xié)議,，表現(xiàn)在報文上，就是會在應(yīng)用層傳輸下來的數(shù)據(jù)前附加上一個TCP首部,，這個首部附加了TCP信息,，先來整體看一下這個首部的結(jié)構(gòu)：

　　這張圖是來自一位大學(xué)老師的課件,， 非常好用，所以一直拿來學(xué)習(xí),。最下面部分表示了報文之間的關(guān)系,，TCP數(shù)據(jù)部分就是應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)。

　　TCP首部固定長度是20字節(jié),，下面還有4字節(jié)是可選的,。內(nèi)容很多，但其中有一些我們比較熟悉的：源端口,，目標端口,。嗯？socket不是還需要IP進行定位嗎,？IP地址在網(wǎng)絡(luò)層被附加了,。其他的內(nèi)容后面都會慢慢講解，作為一篇總結(jié)文章,，這里放出查閱表,，方便復(fù)習(xí)：

　　選項字段中包含以下其他選項：

　　講完下面內(nèi)容，再回來看這些字段就熟悉了,。

　　/ TCP面向字節(jié)流特性 /

　　TCP并不是把應(yīng)用層傳輸過來的數(shù)據(jù)直接加上首部然后發(fā)送給目標,，而是把數(shù)據(jù)看成一個字節(jié) 流，給他們標上序號之后分部分發(fā)送,。這就是TCP的 面向字節(jié)流特性：

　　TCP會以流的形式從應(yīng)用層讀取數(shù)據(jù)并存放在自己的發(fā)送緩存區(qū)中,，同時為這些字節(jié)標上序號

　　TCP會從發(fā)送方緩沖區(qū)選擇適量的字節(jié)組成TCP報文，通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給目標

　　目標會讀取字節(jié)并存放在自己的接收方緩沖區(qū)中,，并在合適的時候交付給應(yīng)用層

　　面向字節(jié)流的好處是無需一次存儲過大的數(shù)據(jù)占用太多內(nèi)存,，壞處是無法知道這些字節(jié)代表的意義，例如應(yīng)用層發(fā)送一個音頻文件和一個文本文件,，對于TCP來說就是一串字節(jié)流,，沒有意義可言，這會導(dǎo)致粘包以及拆包問題,，后面講,。

　　/ 可靠傳輸原理 /

　　前面講到，TCP是可靠傳輸協(xié)議,，也就是,，一個數(shù)據(jù)交給他，他肯定可以完整無誤地發(fā)送到目標地址,，除非網(wǎng)絡(luò)炸了,。他實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)模型如下：

　　對于應(yīng)用層來說，他就是一個可靠傳輸?shù)牡讓又С址?wù),；而運輸層底層采用了網(wǎng)絡(luò)層的不可靠傳輸,。雖然在網(wǎng)絡(luò)層甚至數(shù)據(jù)鏈路層就可以使用協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@樣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會更加復(fù)雜,、效率會隨之降低,。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC放在運輸層，會更加合適,。

　　可靠傳輸原理的重點總結(jié)一下有：滑動窗口,、超時重傳、累積確認,、選擇確認,、連續(xù)ARQ。

　　停止等待協(xié)議

　　要實現(xiàn)可靠傳輸,，最簡便的方法就是：我發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給你,，然后你跟我回復(fù)收到，我繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包,。傳輸模型如下：

　　這種“一來一去”的方法來保證傳輸可靠就是停止等待協(xié)議（stop-and-wait）,。不知道還記不記得前面TCP首部有一個ack字段，當他設(shè)置為1的時候,，表示這個報文是一個確認收到報文,。

　　然后再來考慮一種情況：丟包。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠,，導(dǎo)致每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)包可能會丟失,，如果機器A發(fā)送了數(shù)據(jù)包丟失了，那么機器B永遠接收不到數(shù)據(jù),，機器A永遠在等待,。解決這個問題的方法是：超時重傳。當機器A發(fā)出一個數(shù)據(jù)包時便開始計時,，時間到還沒收到確認回復(fù),，就可以認為是發(fā)生了丟包，便再次發(fā)送,，也就是重傳,。

　　但重傳會導(dǎo)致另一種問題：如果原先的數(shù)據(jù)包并沒有丟失，只是在網(wǎng)絡(luò)中待的時間比較久,，這個時候機器B會受到兩個數(shù)據(jù)包,，那么機器B是如何辨別這兩個數(shù)據(jù)包是屬于同一份數(shù)據(jù)還是不同的數(shù)據(jù)？這就需要前面講過的方法：給數(shù)據(jù)字節(jié)進行編號,。這樣接收方就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的字節(jié)編號,，得出這些數(shù)據(jù)是接下來的數(shù)據(jù)，還是重傳的數(shù)據(jù),。

　　在TCP首部有兩個字段：序號和確認號,，他們表示發(fā)送方數(shù)據(jù)第一個字節(jié)的編號,，和接收方期待的下一份數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的編號。前面講到TCP是面向字節(jié)流,，但是他并不是一個字節(jié)一個字節(jié)地發(fā)送,，而是一次截取一整段。截取的長度受多種因素影響,，如緩存區(qū)的數(shù)據(jù)大小,、數(shù)據(jù)鏈路層限制的幀大小等。

　　連續(xù)ARQ協(xié)議

　　停止等待協(xié)議已經(jīng)可以滿足可靠傳輸了,，但有一個致命缺點：效率太低,。發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之后便進入等待，這個期間并沒有干任何事,，浪費了資源,。解決的方法是：連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。模型如下：

　　和停止等待最大的不同就是,，他會源源不斷地發(fā)送,，接收方源源不斷收到數(shù)據(jù)之后，逐一進行確認回復(fù),。這樣便極大地提高了效率,。但同樣，帶來了一些額外的問題:

　　發(fā)送是否可以無限發(fā)送直到把緩沖區(qū)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完,？不可以,。因為需要考慮接收方緩沖區(qū)以及讀取數(shù)據(jù)的能力。如果發(fā)送太快導(dǎo)致接收方無法接受,，那么只是會頻繁進行重傳,，浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。所以發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的范圍,，需要考慮到接收方緩沖區(qū)的情況,。這就是TCP的流量控制。解決方法是：滑動窗口,?；灸Ｐ腿缦拢?/p>

　　發(fā)送方需要根據(jù)接收方的緩沖區(qū)大小，設(shè)置自己的可發(fā)送窗口大小,，處于窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)表示可發(fā)送,，之外的數(shù)據(jù)不可發(fā)送。

　　當窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收到確認回復(fù)時,，整個窗口會往前移動,，直到發(fā)送完成所有的數(shù)據(jù)

　　在TCP的首部有一個窗口大小字段，他表示接收方的剩余緩沖區(qū)大小，讓發(fā)送方可以調(diào)整自己的發(fā)送窗口大小,。通過滑動窗口,，就可以實現(xiàn)TCP的流量控制，不至于發(fā)送太快,，導(dǎo)致太多的數(shù)據(jù)丟失,。

　　連續(xù)ARQ帶來的第二個問題是：網(wǎng)絡(luò)中充斥著和發(fā)送數(shù)據(jù)包一樣數(shù)據(jù)量的確認回復(fù)報文，因為每一個發(fā)送數(shù)據(jù)包,，必須得有一個確認回復(fù),。提高網(wǎng)絡(luò)效率的方法是：累積確認 ,。接收方不需要逐個進行回復(fù),，而是累積到一定量的數(shù)據(jù)包之后，告訴發(fā)送方,，在此數(shù)據(jù)包之前的數(shù)據(jù)全都收到,。例如，收到 1234,，接收方只需要告訴發(fā)送方我收到4了,，那么發(fā)送方就知道1234都收到了。

　　第三個問題是：如何處理丟包情況,。在停止等待協(xié)議中很簡單,，直接一個超時重傳就解決了。但,，連續(xù)ARQ中不太一樣,。例如：接收方收到了 123 567，六個字節(jié),，編號為4的字節(jié)丟失了,。按照累積確認的思路，只能發(fā)送3的確認回復(fù),，567都必須丟掉,，因為發(fā)送方會進行重傳。這就是GBN（go-back-n)思路,。

　　但是我們會發(fā)現(xiàn),，只需要重傳4即可，這樣不是很浪費資源,，所以就有了：選擇確認SACK,。在TCP報文的選項字段，可以設(shè)置已經(jīng)收到的報文段,，每一個報文段需要兩個邊界來進行確定,。這樣發(fā)送方，就可以根據(jù)這個選項字段只重傳丟失的數(shù)據(jù)了。

　　可靠傳輸小結(jié)

　　到這里關(guān)于TCP的可靠傳輸原理就已經(jīng)介紹的差不多,。最后進行一個小結(jié)：

　　通過連續(xù)ARQ協(xié)議與發(fā)送-確認回復(fù)模式來保證每一個數(shù)據(jù)包都到達接收方

　　通過給字節(jié)編號的方法,，來標記每一個數(shù)據(jù)是屬于重傳還是新的數(shù)據(jù)

　　通過超時重傳的方式，來解決數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中丟失的問題

　　通過滑動窗口來實現(xiàn)流量控制

　　通過累積確認+選擇確認的方法來提高確認回復(fù)與重傳的效率

　　當然,，這只是可靠傳輸?shù)谋揭唤?，感興趣可以再深入去研究（和面試官聊天已經(jīng)差不多了）。

　　/ 擁塞控制 /

　　擁塞控制考慮的是另外一個問題：避免網(wǎng)絡(luò)過分擁擠導(dǎo)致丟包嚴重,，網(wǎng)絡(luò)效率降低 ,。

　　拿現(xiàn)實的交通舉例子：

　　高速公路同一時間可通行的汽車數(shù)量是一定的，當節(jié)假日時,，就會發(fā)生嚴重的堵車,。在TCP中，數(shù)據(jù)包超時,，會進行重傳,，也就是會進來更多的汽車，這時候更堵,，最后導(dǎo)致的結(jié)果就是：丟包-重傳-丟包-重傳,。最后整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓了。

　　這里的擁塞控制和前面的流量控制不是一個東西,，流量控制是擁塞控制的手段：為了避免擁塞,，必須對流量進行控制。擁塞控制目的是：限制每個主機的發(fā)送的數(shù)據(jù)量,，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞效率下降,。就像廣州等地，限制車牌號出行是一個道理,。不然大家都堵在路上,，誰都別想走。

　　擁塞控制的解決方法是流量控制,，流量控制的實現(xiàn)是滑動窗口,，所以擁塞控制最終也是通過限制發(fā)送方的滑動窗口大小來限制流量 。當然,，擁塞控制的手段不只是流量控制,，導(dǎo)致?lián)砣囊蛩赜校郝酚善骶彺妗?、處理器處理速度等等,。提升硬件能力（?車道改成8車道）是其中一個方法，但畢竟硬件提升是有瓶頸的,，沒辦法不斷提升,，還是需要從tcp本身來增加算法，解決擁塞。

　　擁塞控制的重點有4個：慢開始,、快恢復(fù),、快重傳、擁塞避免,。這里依舊獻祭出大學(xué)老師的ppt圖片：

　　Y軸表示的是發(fā)送方窗口大小,，X軸表示的是發(fā)送的輪次（不是字節(jié)編號）。

　　最開始的時候,，會把窗口設(shè)置一個較小的值,，然后每輪變?yōu)樵瓉淼膬杀丁＿@是慢開始,。

　　當窗口值到達ssthresh值,，這個值是需要通過實時網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置的一個窗口限制值，開始進入擁塞避免,，每輪把窗口值提升1,，慢慢試探網(wǎng)絡(luò)的底線,。

　　如果發(fā)生了數(shù)據(jù)超時,，表示極可能發(fā)生了擁塞，然后回到慢開始,，重復(fù)上面的步驟,。

　　如果收到三個相同的確認回復(fù)，表示現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的情況不太好,，把ssthresh的值設(shè)置為原來的一半,，繼續(xù)擁塞避免。這部分稱為快恢復(fù),。

　　如果收到丟包信息,，應(yīng)該盡快把丟失的包重傳一次，這是快重傳,。

　　當然,，窗口的最終上限是不能無限上漲的，他不能超過接收方的緩存區(qū)大小,。

　　通過這個算法,，就可以在很大程度上，避免網(wǎng)絡(luò)擁擠,。

　　除此之外,，還可以讓路由器在緩存即將滿的時候，告知發(fā)送方我快滿了,，而不是等到出現(xiàn)了超時再進行處理,，這是主動隊列管理AQM。此外還有很多方法，但是上面的算法是重點,。

　　/ 面向連接 /

　　這一小節(jié)講的就是無人不曉的TCP三次握手與四次揮手這些,，經(jīng)過前面的內(nèi)容，這一小節(jié)其實已經(jīng)很好理解,。

　　TCP是面向連接的,，那連接是什么？這里的連接并不是實實在在的連接,，而是通信雙方彼此之間的一個記錄,。TCP是一個全雙工通信，也就是可以互相發(fā)送數(shù)據(jù),，所以雙方都需要記錄對方的信息,。根據(jù)前面的可靠傳輸原理，TCP通信雙方需要為對方準備一個接收緩沖區(qū)可以接收對方的數(shù)據(jù),、記住對方的socket知道怎么發(fā)送數(shù)據(jù),、記住對方的緩沖區(qū)來調(diào)整自己的窗口大小等等，這些記錄,，就是一個連接,。

　　在運輸層小節(jié)中講到，運輸層雙方通信的地址是采用socket來定義的,，TCP也不例外,。TCP的每一個連接只能有兩個對象，也就是兩個socket,，而不能有三個,。所以socket的定義需要源IP、源端口號,、目標IP,、目標端口號四個關(guān)鍵因素，才不會發(fā)生混亂,。

　　假如TCP和UDP一樣只采用目標IP+目標端口號來定義socket,，那么就會出現(xiàn)多個發(fā)送方同時發(fā)送到同一個目標socket的情況。這個時候TCP無法區(qū)分這些數(shù)據(jù)是否來自不同的發(fā)送方,，就會導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤,。

　　既然是連接，就有兩個關(guān)鍵要點：建立連接,、斷開連接,。

　　建立連接

　　建立連接的目的就是交換彼此的信息，然后記住對方的信息,。所以雙方都需要發(fā)送彼此的信息給對方：

　　但前面的可靠傳輸原理告訴我們,，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸是不可靠的,，需要對方給予我們一個確認回復(fù)，才可以保證消息正確到達,。如下圖：

　　機器B的確認收到和機器B信息可以進行合并,，減少次數(shù)；而且發(fā)送機器B給機器A本身就代表了機器B已經(jīng)收到了消息,，所以最后的示例圖是：

　　步驟如下：

　　機器A發(fā)送syn包向機器B請求建立TCP連接,，并附加上自身的接收緩沖區(qū)信息等，機器A進入SYN_SEND狀態(tài),，表示請求已經(jīng)發(fā)送正在等待回復(fù),；

　　機器B收到請求之后，根據(jù)機器A的信息記錄下來,，并創(chuàng)建自身的接收緩存區(qū),，向機器A發(fā)送syn+ack的合成包，同時自身進入SYN_RECV狀態(tài),，表示已經(jīng)準備好了,，等待機器A 的回復(fù)就可以向A發(fā)送數(shù)據(jù)；

　　機器A收到回復(fù)之后記錄機器B 的信息,，發(fā)送ack信息,，自身進入ESTABLISHED狀態(tài)，表示已經(jīng)完全準備好了,，可以進行發(fā)送和接收,；

　　機器B收到ACK數(shù)據(jù)之后,，進入ESTABLISHED狀態(tài),。

　　三次消息的發(fā)送，稱為三次握手,。

　　斷開連接

　　斷開連接和三次握手類似,，直接上圖：

　　1. 機器A發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，向機器B請求斷開連接,，自身進入FIN_WAIT_1狀態(tài),，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完成且已經(jīng)發(fā)送FIN包（FIN標志位為1）；

　　2. 機器B收到FIN包之后,，回復(fù)ack包表示已經(jīng)收到,，但此時機器B可能還有數(shù)據(jù)沒發(fā)送完成，自身進入CLOSE_WAIT狀態(tài),，表示對方已發(fā)送完成且請求關(guān)閉連接,，自身發(fā)送完成之后可以關(guān)閉連接；

　　3. 機器B數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后,，發(fā)送FIN包給機器B ,，自身進入LAST_ACK狀態(tài),，表示等待一個ACK包即可關(guān)閉連接；

　　4. 機器A收到FIN包之后,，知道機器B也發(fā)送完成了,，回復(fù)一個ACK包，并進入TIME_WAIT狀態(tài)

　　TIME_WAIT狀態(tài)比較特殊,。當機器A收到機器B的FIN包時,，理想狀態(tài)下，確實是可以直接關(guān)閉連接了,；但是：

　　我們知道網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的,，可能機器B 發(fā)送了一些數(shù)據(jù)還沒到達（比FIN包慢）；

　　同時回復(fù)的ACK包可能丟失了,，機器B會重傳FIN包,；

　　如果此時機器A馬上關(guān)閉連接，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整,、機器B無法釋放連接等問題,。所以此時機器A需要等待2個報文生存最大時長，確保網(wǎng)絡(luò)中沒有任何遺留報文了,，再關(guān)閉連接

　　5. 最后,，機器A等待兩個報文存活最大時長之后，機器B 接收到ACK報文之后,，均關(guān)閉連接,，進入CLASED狀態(tài)

　　雙方之間4次互相發(fā)送報文來斷開連接的過程，就是四次揮手,。

　　現(xiàn)在,，對于為什么握手是三次揮手是四次、一定要三次/四次嗎,、為什么要停留2msl再關(guān)閉連接等等這些問題,，就都解決了。

　　/ UDP協(xié)議 /

　　運輸層協(xié)議除了TCP,，還有大名鼎鼎的UDP,。如果說TCP憑借他完善穩(wěn)定的功能獨樹一幟，那UDP就是精簡主義亂拳打死老師傅,。

　　UDP只實現(xiàn)了運輸層最少的功能：進程間通信,。對于應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)，UDP只是附加一個首部就直接交給網(wǎng)絡(luò)層了,。UDP的頭部非常簡單,，只有三部分：

　　源端口、目標端口：端口號用來區(qū)分主機的不同進程

　　校驗碼：用于校驗數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中沒有出現(xiàn)錯誤,，例如某個1變成了0

　　長度：報文的長度

　　所以UDP的功能也只有兩個：校驗數(shù)據(jù)報是否發(fā)生錯誤,、區(qū)分不同的進程通信,。

　　但，TCP的功能雖然多,，但同時也是要付出相對應(yīng)的代價,。例如面向連接的特性，在建立和斷開連接的時候會有開銷,；擁塞控制的特性,，會限制傳輸?shù)纳舷薜鹊取Ｏ旅鎭砹_列一下UDP的優(yōu)缺點：

　　UDP的缺點

　　無法保證消息完整,、正確到達,，UDP是一個不可靠的傳輸協(xié)議；

　　缺少擁塞控制容易互相競爭資源導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓

　　UDP的優(yōu)點

　　效率更快,；不需要建立連接以及擁塞控制

　　連接更多的客戶,；沒有連接狀態(tài)，不需要為每個客戶創(chuàng)建緩存等

　　分組首部字節(jié)少,，開銷?。籘CP首部固定首部是20字節(jié),，而UDP只有8字節(jié),；更小的首部意味著更大比例的數(shù)據(jù)部分

　　在一些需要高效率允許可限度誤差的場景下可以使用。如直播場景,，并不需要保證每個數(shù)據(jù)包都完整到達,，允許一定的丟包率，這個時候TCP的可靠特性反而成為了累贅,；精簡的UDP更高的效率是更加適合的選擇

　　可以進行廣播,；UDP并不是面向連接的，所以可以同時對多個進程進行發(fā)送報文

　　UDP適用場景

　　UDP適用于對傳輸模型需要應(yīng)用層高度自定義,、允許出現(xiàn)丟包,、需要高效率的場景、需要廣播,；例如

　　視屏直播

　　DNS

　　RIP路由選擇協(xié)議

　　/ 其他補充 /

　　分塊傳輸

　　我們可以發(fā)現(xiàn)，運輸層在傳輸數(shù)據(jù)的時候,，并不是把整個數(shù)據(jù)包加個首部直接發(fā)送過去,，而是會拆分成多個報文分開發(fā)送；那他這樣做原因是什么,？

　　有讀者可能會想到：數(shù)據(jù)鏈路層限制了數(shù)據(jù)長度只能有1460,。那數(shù)據(jù)鏈路層為什么要這么限制？他的本質(zhì)原因就是：網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的,。如果報文太長,，那么極有可能在傳輸一般的時候突然中斷了,，這個時候就要整個數(shù)據(jù)重傳，效率就降低了,。把數(shù)據(jù)拆分成多個數(shù)據(jù)報,，那么當某個數(shù)據(jù)報丟失，只需要重傳該數(shù)據(jù)報即可,。

　　那是不是拆分得越細越好,？報文中數(shù)據(jù)字段長度太低，會使得首部的占比太大,，這樣首部就會成為網(wǎng)絡(luò)傳輸最大的負擔了,。例如1000字節(jié)，每個報文首部是40字節(jié),，如果拆分成10個報文,，那么只需要傳輸400字節(jié)的首部；而如果拆分成1000個,，那么需要傳輸40000字節(jié)的首部,，效率就極大地降低了。

　　路由轉(zhuǎn)換

　　先看下圖：

　　正常情況下,，主機A的數(shù)據(jù)包可以又 1-3-6-7路徑進行傳送

　　如果路由3壞掉了,，那么可以從 1-4-6-7進行傳送

　　如果4也壞掉了，那么只能從2-5-6-7傳送

　　如果5壞掉了,，那么就中斷線路了

　　可以看出來,，使用路由轉(zhuǎn)發(fā)的好處是：提高網(wǎng)絡(luò)的容錯率，本質(zhì)原因依舊是網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的 ,。即使壞掉幾個路由器,，網(wǎng)絡(luò)依舊暢通。但是如果壞掉路由器6那就直接導(dǎo)致主機A和主機B無法通信,，所以要避免這種核心路由器的存在,。

　　使用路由的好處還有：分流。如果一條線路太擁堵,，可以從別的路線進行傳輸,，提高效率。

　　粘包與拆包

　　在面向字節(jié)流那一小節(jié)講過,，TCP不懂這些數(shù)據(jù)流的意義,，他只知道從應(yīng)用層拿到數(shù)據(jù)流，切割成一份份報文,，然后發(fā)送給目標對象,。而如果應(yīng)用層傳輸下來的是兩個數(shù)據(jù)包，那么極有可能出現(xiàn)這種情況：

　　應(yīng)用層需要向目標進程發(fā)送兩份數(shù)據(jù),，一份音頻,，一份文本

　　TCP只知道接收到一個流,，并把流拆分成4段進行發(fā)送

　　中間第二個報文的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)兩個文件的數(shù)據(jù)混在一起，這就是粘包

　　目標進程應(yīng)用層在接收到數(shù)據(jù)之后,，需要把這些數(shù)據(jù)拆分成正確的兩個文件,，就是拆包

　　粘包與拆包都是應(yīng)用層需要解決的問題，可以在每個文件的最后附加上一些特殊的字節(jié),，如換行符,；或者控制每個報文只包含一個文件的數(shù)據(jù)，不足的用0補充等等,。

　　惡意攻擊

　　TCP的面向連接特點可能會被惡意的人利用,，對服務(wù)器進行攻擊。

　　前面我們知道,，當我們向一個主機發(fā)送syn包請求創(chuàng)建連接時,，服務(wù)器會為我們創(chuàng)建緩沖區(qū)等，然后向我們返回syn+ack報文,；如果我們偽造IP和端口,，向一個服務(wù)器進行海量的請求，會使得服務(wù)器創(chuàng)建了大量的創(chuàng)建一半的TCP連接,，使得其無法正常響應(yīng)用戶的請求,，導(dǎo)致服務(wù)器癱瘓。

　　解決的方法可以有限制IP的創(chuàng)建連接數(shù),、讓創(chuàng)建一半的tcp連接在更短的時間內(nèi)自行關(guān)閉,、延緩接收緩沖區(qū)內(nèi)存的分配等等。

　　長連接

　　我們向服務(wù)器的每一次請求都需要創(chuàng)建一個TCP連接,，服務(wù)器返回數(shù)據(jù)之后就會關(guān)閉連接,；如果在短時間內(nèi)有大量的請求，那么頻繁創(chuàng)建TCP連接關(guān)閉TCP連接是一個很浪費資源的行為,。所以我們可以讓TCP連接不要關(guān)閉,，在這個期間進行請求，提高效率,。

　　需要注意長連接維持時間,、創(chuàng)建條件等，避免被惡意利用創(chuàng)建大量的長連接,，消耗殆盡服務(wù)器的資源,。

　　/ 最后 /

　　以前學(xué)習(xí)的時候覺得這些東西好像沒什么卵用，貌似就是用來考試的,。事實上，在沒應(yīng)用到的時候,，對這些知識很難有更深層次的認知,，例如現(xiàn)在我看上面的總結(jié),，很多只是表面上的認知，不知道他背后代表的真正含義,。

　　但當我學(xué)習(xí)的更加廣泛,、深入，會對這些知識有越來越深刻的認識,。有那么幾個瞬間覺得：哦原來那個東西是這樣運用,，那個東西是這樣的啊，原來學(xué)了是真的有用,。

　　現(xiàn)在可能學(xué)了之后沒有什么感覺,，但是當用到或者學(xué)到相關(guān)的應(yīng)用時，會有一個頓悟感,，會瞬間收獲很多,。

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電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家  一口Linux

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