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墨滴

高性能架构探索

2021/07/28  阅读:65  主题:默认主题

TCP概述

传输控制协议 (TCP) 是一种传输协议,用于在 IP 之上确保数据包的可靠传输。

TCP包含的机制可以解决基于数据包的消息传递引起的许多问题,例如数据包丢失、数据包乱序、重复的数据包和数据包损坏。

由于TCP是最常用于IP之上的协议,因此Internet协议栈有时也称为TCP/IP。

数据包格式

使用 TCP/IP 发送数据包时,每个 IP 数据包的数据部分都被格式化为 TCP 段。

每个 TCP 段都包含一个标头和数据。 TCP 标头包含比 UDP 标头更多的字段,大小范围从 202020 到 606060 字节,具体取决于选项字段的大小。

TCP 头与 UDP 头共享一些字段:源端口号、目标端口号和校验和。

下面,我们简单的描述下整个数据包的传输过程

步骤一:建立连接

当两台计算机想要通过 TCP 相互发送数据时,它们首先需要使用三向握手建立连接。

  • 客户端想与服务器建立连接,所以它发送一个带有 SYN(同步序列号)的段,通知服务器客户端可能开始通信以及它以什么序列号开始

  • 服务端通过设置 SYN-ACK 信号位来响应客户端请求。 Acknowledgement(ACK) 表示它收到的段的响应,SYN 表示它可能以什么序列号开始

当服务器收到来自客户端节点的 SYN 数据包时,它会做出响应并返回一个确认收据——ACK(确认序列号)数据包或 SYN/ACK 数据包。 该数据包包括两个序列号。 第一个是 ACK,它由服务器设置为比它从客户端收到的序列号(例如 X+1)多一个。 第二个是服务器发送的SYN,是另一个随机序列号(例如Y)。 这个序列表明服务器正确地确认了客户端的数据包,并且正在发送自己的数据包以进行确认。

  • 在最后一部分客户端确认服务器的响应,他们都建立了一个可靠的连接,他们将开始实际的数据传输 步骤 1、2 为一个方向建立连接参数(序列号)并确认。步骤 2、3 为另一个方向建立连接参数(序列号)并得到确认。有了这些,就建立了全双工通信。

客户端节点接收来自服务器的 SYN/ACK 并以 ACK 数据包进行响应。再一次,每一方都必须通过将收到的序列号加一来确认收到的序列号。 所以现在轮到客户端通过将序列号加一(在本例中为 Y+1)来确认服务器的数据包,并将其重新发送到服务器。 完成此过程后,将创建连接并且主机和服务器可以进行通信。 所有这些步骤都是验证双方发起的序列号所必需的,保证连接的稳定性。 由于两台主机都必须确认对方的连接参数,因此在启动实际数据传输过程之前,可以快速检测到丢失或乱序的段。

SYN 和 ACK 位都是 TCP 标头的一部分:

实际上,三向握手中涉及的三个数据包通常不包含任何数据。 一旦计算机完成握手,它们就准备好接收包含实际数据的数据包。

发送数据包

由于TCP是可靠的传输协议,因此,当数据包通过 TCP 发送时,接收者必须始终确认他们收到的内容。

第一台计算机发送一个包含数据和序列号的数据包。 第二台计算机通过设置 ACK 位并将确认号增加接收数据的长度来确认它。

序列号和确认号是 TCP 标头的一部分:

这两个数字帮助计算机跟踪哪些数据被成功接收,哪些数据丢失,哪些数据被意外发送了两次。

断开连接

当它们不再想要发送或接收数据时,任何一台计算机都可以关闭连接。

  • 假设客户端应用程序决定要关闭连接。(注意服务器也可以选择关闭连接)。这会导致客户端向服务器发送一个 FIN 位设置为 1 的 TCP 段并进入 FIN_WAIT_1 状态。 在 FIN_WAIT_1 状态下,客户端等待来自服务器的 TCP 段和确认 (ACK)。

  • 当服务器收到来自发送方(客户端)的 FIN 位段时,服务器立即向发送方(客户端)发送确认(ACK)段。

  • 在 FIN_WAIT_1 状态下,客户端等待来自服务器的 TCP 段并确认。 当它接收到这个段时,客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。 当处于 FIN_WAIT_2 状态时,客户端等待来自服务器的另一个段,其中 FIN 位设置为 1。

  • 在服务器发送 ACK 段一段时间后(因为服务器中的一些关闭过程),服务器将 FIN 位段发送给发送方(客户端)。

  • 当 Client 收到 Server 的 FIN 位段时,Client 确认 Server 的段并进入 TIME_WAIT 状态。 TIME_WAIT 状态让客户端在 ACK 丢失的情况下重新发送最终确认。 TIME_WAIT 状态客户端花费的时间取决于它们的实现,但它们的典型值是 30 秒、1 分钟和 2 分钟。 等待之后,连接正式关闭,客户端的所有资源(包括端口号和缓冲区数据)都被释放。

下图说明了服务器端和客户端访问的一系列状态,假设客户端开始断开连接。 在这两个状态转换图中,我们只展示了如何正常建立 TCP 连接和 关闭。

下图为客户端角度来分析,各个阶段的状态:

下图为服务端角度来分析,各个阶段的状态

总结

TCP/IP在日常工作中接触很频繁,只是通常我们不留意罢了,比如当我们打开浏览器输入网址并敲回车的一刹那,浏览器帮我们做了很多工作,比如DNS解析,建立TCP连接,传输数据,网页渲染,关闭连接等等。

后续,笔者会从一个后端开发的角度,去向大家讲解TCP相关知识,比如滑动窗口,拥塞避免等等。

在本文的最后,放一张TCP的状态转换图,相信很多人也都见过,还是很有毕业进行保存。

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