TCP/IP常见问题总结（一）

发表于 | 分类于
字数统计: 2.8k字

以下为一些常见的TCP/IP问题总结：

OSI与TCP/IP各层的结构与功能

互联网分层示意图
互联网主要分为五层：

  1. 物理层：通过线路（可以是有形的线也可以是无线链路）传送原始的比特(bit)流，只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）
  2. 数据链路层：通过物理网络传送帧，只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）(hop-by-hop, node-to-node)
  3. 网络层：把包里面的目的地址拿出来，进行路由选择(routing)，决定要往哪个方向传输，负责从源(source)通过路由选择到目的地(destination)的过程，达到从源主机传输数据到目标主机的目的(host-to-host)
  4. 传输层：也称为端到端传输，网络层只把数据送到主机，但不会送到进程。传输层负责负责进程与主机(host)间的传输，主机到主机(host-to-host)的传输交由网络层负责。在七层模型中，传输层还可以细分为会话层和展示层：
    • 会话层：通过数据流建立会话关系
    • 展示层：数据压缩、解压，加密、解密，数据类型、格式变换等一切与数据展示有关的操作
  5. 应用层：专门针对某些应用提供服务

网络层有如下协议：
网络层示意图

传输层主要有TCP（传输控制协议）与UDP（用户数据报协议）两种协议。

应用层有如下协议：
应用层示意图

TCP与UDP的区别

TCP即传输控制协议，UDP即用户数据报协议，他们的区别主要有以下几点：

  1. TCP协议是面向连接的，发送数据之前需要建立连接；UDP协议是无连接的，发送数据之前不需要建立连接
  2. TCP协议提供可靠的传输服务；UDP协议提供不可靠的传输服务
  3. TCP发送数据大小会受发送窗口、接收窗口及MSS（最大报文段）限制，因此会分为多段发送；UDP发送数据大小即为数据本身大小
  4. TCP拥有众多反馈机制与附加机制；UDP没有反馈机制
  5. TCP传输速度较慢；UDP传输速度较快

总的来说，TCP协议提供面向连接的，可靠的传输服务，但速度较慢，适合文件下载等传输任务；UDP协议提供无连接的，不可靠的传输服务，但速度较快，适合媒体流等看重传输速度的传输任务。

TCP报文结构

TCP段结构如下：
TCP段结构示意图

其中：

  • Source port：源端口，16位，说明发送端的端口号
  • Destination port：目的端口，16位，说明接收端的端口号
  • Sequence number：序列号，32位，说明这个数据的序号，从而接收端接收后可以进行排序，避免接收错序
  • Acknowledgement number：确认号，ACK，32位，表示说明这是对哪个数据的确认，表明期待接收编号为x的数据段，小于x的数据段已经成功接收并交给了上层
  • TCP header length：TCP头部长度，4位，由于TCP头部中带有option，而option的长度不固定，因此需要标识头部的长度
  • 0（灰色那段）：padding，6位，无实际作用
  • 标志位：6位，作用分别如下：
    • URG：说明数据部分是否有紧急数据，可能导致乱序问题，因此并不会在实际中被使用
    • ACK：说明确认号是否有效
    • PSH：告诉接收方将缓冲区的数据尽快交给上层，可能会导致数据丢失，因此不会在实际中被使用
    • RST：重置连接，将连接强制中断
    • SYN：同步标识，建立连接时使用
    • FIN：结束标识，关闭连接时使用
  • Window size：窗口大小，16位，发送端告诉接收端自己的发送窗口的缓冲区大小
  • Checksum：校验和，16位
  • Urgent pointer：紧急数据指针，16位，说明数据段中哪一段数据是紧急数据
  • Options：0或32位，选项部分
  • Data：数据部分

TCP的三次握手与四次挥手过程

TCP三次握手

其示意图如下：
TCP三次握手示意图

三次握手是指TCP建立连接的过程，顾名思义，主要分为3个步骤：

  1. 客户机发起请求
    • SYN为1：说明发起新的连接
    • SEQ为x：说明这个段的序列号是多少，服务器收到后会调整接收的滑动窗口为x+1(表明下一次要接收的段的序列号为x+1)，一般随机选取x
    • 指定窗口大小的值：客户机说明自己的接收窗口目前还可容纳多少数据
  2. 服务器响应请求
    • ACK为1：表示确认接收请求
    • ACK号为x+1：表示接受了序列号位x及以下的数据，期待序列号为x+1的数据
    • SYN为1：说明服务器同意新的连接建立(只是同意，还没有没有分配端口资源)
    • SEQ为y：说明这个段的序列号是多少，客户机收到后会调整接收的滑动窗口为y+1(表明下一次要接收的段的序列号为y+1)，与x没有关系
    • 指定窗口大小的值：服务器说明自己的接收窗口目前还可容纳多少数据
  3. 服务器响应请求
    • ACK为1：表示确认接收请求
    • ACK号为y+1：表示接受了序列号位y及以下的数据，期待序列号为y+1的数据
    • SEQ为x+1：说明这个段的序列号是多少，服务器收到后会调整接收的滑动窗口为x+2(表明下一次要接收的段的序列号为x+2)

看完三次握手我们不禁有疑问，为什么需要三次握手呢？一次握手，两次握手为什么不行呢？
原因如下：

  • 一次握手：客户机根本不知道连接的有效性
    • 有可能这次握手请求根本没有到达服务器或者直接被服务器拒绝
  • 两次握手：服务器无法确认该请求的合法性，如果是两次握手服务器将立即分配端口资源造成资源浪费，可能使得其它客户机无法连接
    • 发送方请求连接的包在信道里面停留了很长时间，使得连接都释放掉了这个包才到
    • 会遭遇SYN泛洪攻击：一台恶意的主机伪造自己的IP向服务器请求连接

TCP四次挥手

其示意图如下：
TCP四次挥手示意图

TCP四次挥手是指TCP释放连接的过程，顾名思义，主要分为4个步骤：

  1. 释放连接的发起方发起释放连接请求
    • FIN为1：结束位为1，说明发起方的发送过程已经结束，不会再向对方发送实际数据
    • SEQ为x：序列号为x
  2. 释放连接的接收方回复释放连接请求
    • ACK为1：表示确认接收请求
    • ACK号为x+1：表示接受了序列号位x及以下的数据，期待序列号为x+1的数据
  3. 释放连接的接收方同意释放连接请求
    • FIN为1：结束位为1，说明发起方的发送过程已经结束，不会再向对方发送实际数据
    • SEQ为y：序列号为y
  4. 释放连接的发起方回复释放连接请求
    • ACK为1：表示确认接收请求
    • ACK号为y+1：表示接受了序列号位x及以下的数据，期待序列号为y+1的数据

发起方在第四次握手发出ACK后会等待一段时间后再正式释放连接，这段时间被称为TIME_WAIT。会有TIME_WAIT的原因主要是保证接收方能够收到对于FIN的ACK，如果ACK在返回的过程中丢失会导致接收方超时，这时会再发一个FIN给到发起方，因此这一段时间正好是ACK返回时间加上重发的FIN到达发起方的时间。另一个原因是如果没有TIME_WAIT就马上建立了新的连接，那么网络中遗留下来的旧的数据包将可能会干扰接收方的接收，接收方无法识别出是新的数据包还是旧的数据包，因此在TIME_WAIT接收到的其它数据包会被丢弃。

其实TCP释放连接的方法除了四次握手外还有直接重置RST的强制释放方法，在此不再赘述。

TCP拥塞控制

由于发送方到接收方之间的信道是公用的，因此如果发送方不考虑中间信道的容量随意发送就可能出现拥塞，拥塞会导致延迟严重，甚至大量丢包，因此我们需要进行拥塞控制。
拥塞控制的关键在于控制发送端的发送速率，发送端的发送速率受到发送窗口大小的限制，因此在TCP的拥塞控制中实际控制的是发送端的发送窗口大小。
当出现以下两种情况之一时，我们断定传输出现了拥塞：

  1. 连续(三个)的序号为x的ACK：说明序号为x的TCP数据段很可能丢失
  2. 超时时间到来前未收到ACK

当出现拥塞时，我们主要有以下方法进行拥塞控制：
拥塞控制示意图

为了防止拥塞窗口大小增加过快而导致网络拥塞，我们会设置一个慢开始门限状态变量：

  1. 当拥塞窗口大小 < 慢开始门限，使用慢启动算法
  2. 当拥塞窗口大小 > 慢开始门限，使用拥塞控制算法
  3. 当拥塞窗口大小 == 慢开始门限，使用两个算法都可以

AIMD

AIMD（additive increase multiplicative decrease）是一个拥塞控制算法，其意思即加性增加乘性减少，其初始拥塞窗口大小为任意值。
当我们每成功传输一个TCP数据段，拥塞窗口大小加1MSS（最大报文大小），此为加性增加；而当我们发现传输出现拥塞时，拥塞窗口大小减半，此为乘性减少。
这种算法的问题在于增加的速度慢，丢包代价大。

拥塞控制算法示意图

慢启动

慢启动的初始时拥塞窗口大小为1MSS（因此叫慢启动算法），最大为65535MSS（窗口大小只有16bit，因此最大也只能这么大）。慢启动算法开始时每成功传输一个TCP数据段，拥塞窗开大小也是增加1MSS，但当其发现拥塞时，会首先确定一个阙值：阙值为当前窗口大小的一半，然后根据不同的机制进行处理：

  • Tahoe机制：出现拥塞时窗口大小会变回1MSS，但当窗口大小小于阙值时，传输成功窗口大小加倍（指数增长），大于阙值后改为加性增长。
  • Reno机制：出现拥塞窗口大小直接变为阙值。（也称为快速恢复机制）

慢启动算法示意图