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(shí)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(duì)TCP是有點(diǎn)感覺了。

　　一直想找個(gè)時(shí)間來分享下TCP相關(guān)的知識(shí)，如果大家有疑問，歡迎相互交流。其實(shí)，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(tái)主機(jī)之間的通信。這個(gè)時(shí)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(dāng)然不滿足于只有兩臺(tái)電腦連接，因此我們可以使用交換機(jī)把多個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，我們需要標(biāo)識(shí)每個(gè)機(jī)器，這樣才可以指定要和哪個(gè)機(jī)器通信。這個(gè)標(biāo)識(shí)就是硬件地址MAC。硬件地址隨機(jī)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(jī)器通信時(shí)，只需要知道他的硬件地址，交換機(jī)就會(huì)把我們的消息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的機(jī)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(gè)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(gè)時(shí)候就需要用到路由器來連接兩個(gè)局域網(wǎng)：

　　但是如果我們還是使用硬件地址來作為通信對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，需要記住所有機(jī)器的硬件地址是不現(xiàn)實(shí)的；同時(shí)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象可能會(huì)頻繁更換設(shè)備，這個(gè)時(shí)候硬件地址表維護(hù)起來更加復(fù)雜。這里使用了一個(gè)新的地址來標(biāo)記一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象：IP地址。

　　通過一個(gè)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(huì)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(biāo)IP地址，并發(fā)送給路由器）

　　郵局會(huì)幫我把信運(yùn)輸?shù)缴虾Ｊ挟?dāng)?shù)剜]局（信息會(huì)經(jīng)過路由傳遞到目標(biāo)IP局域網(wǎng)的路由器）

　　上海市當(dāng)?shù)芈酚善鲿?huì)幫我把信交給朋友A（局域網(wǎng)內(nèi)通信）

　　因此，這里IP地址就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入地址（朋友A的住址），我只需要知道目標(biāo)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(dòng)態(tài)維護(hù)一個(gè)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(jī)器的MAC地址進(jìn)行發(fā)送。

　　這樣我們不需管理底層如何去選擇機(jī)器，我們只需要知道IP地址，就可以和我們的目標(biāo)進(jìn)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(jī)之間的邏輯通信。這樣，在網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)，在邏輯上都連接起來了，上層只需要提供目標(biāo)IP地址和數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層就可以把消息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的主機(jī)。

　　一個(gè)主機(jī)有多個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程之間進(jìn)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(jī)同時(shí)和兩個(gè)不同機(jī)器進(jìn)行通信。那么當(dāng)我的手機(jī)收到數(shù)據(jù)時(shí)，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(yùn)輸層 ：

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

　　現(xiàn)在不同的機(jī)器上的應(yīng)用進(jìn)程之間可以獨(dú)立通信了，那么我們就可以在計(jì)算機(jī)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(jìn)一步拆分出表示層、會(huì)話層，但他們的本質(zhì)特點(diǎn)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(duì)計(jì)網(wǎng)分層進(jìn)行小結(jié)：

　　最底層物理層，負(fù)責(zé)兩個(gè)機(jī)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(jìn)行尋址，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)通信；

　　網(wǎng)絡(luò)層通過抽象IP地址實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的邏輯通信；

　　運(yùn)輸層在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)通信；

　　應(yīng)用層在運(yùn)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(duì)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(huì)具體的實(shí)現(xiàn)，簡便了開發(fā)。

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

　　/ 運(yùn)輸層 /

　　本文主要是講解TCP，這里需要增加一些運(yùn)輸層的知識(shí)。

　　本質(zhì)：提供進(jìn)程通信

　　在運(yùn)輸層之下的網(wǎng)絡(luò)層，是不知道該數(shù)據(jù)包屬于哪個(gè)進(jìn)程，他只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送。運(yùn)輸層則負(fù)責(zé)接收不同進(jìn)程的數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)層，同時(shí)把網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)拆分交給不同的進(jìn)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(yùn)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(yùn)輸層的底層支持。所以運(yùn)輸層是無法決定自己帶寬、時(shí)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(fù)責(zé)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(dá)且完整。

　　底層實(shí)現(xiàn)：socket

　　前面講到，最簡單的運(yùn)輸層協(xié)議，就是提供進(jìn)程之間的獨(dú)立通信 ，但底層的實(shí)現(xiàn)，是socket之間的獨(dú)立通信。在網(wǎng)絡(luò)層中，IP地址是一個(gè)主機(jī)邏輯地址，而在運(yùn)輸層中，socket是一個(gè)進(jìn)程的邏輯地址；當(dāng)然，一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)socket。應(yīng)用進(jìn)程可以通過監(jiān)聽socket，來獲取這個(gè)socket接受到的消息。

　　socket并不是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的東西，而是運(yùn)輸層抽象出來的一個(gè)對(duì)象。運(yùn)輸層增加了端口這個(gè)概念，來區(qū)分不同的socket。端口可以理解為一個(gè)主機(jī)上有很多的網(wǎng)絡(luò)通信口，每個(gè)端口都有一個(gè)端口號(hào)，端口的數(shù)量由運(yùn)輸層協(xié)議確定。

　　不同的運(yùn)輸層協(xié)議對(duì)socket有不同的定義方式。在UDP協(xié)議中，使用目標(biāo)IP+目標(biāo)端口號(hào)來定義一個(gè)socket；在TCP中使用目標(biāo)IP+目標(biāo)端口號(hào)+源IP+源端口號(hào)來定義一個(gè)socket。我們只需要在運(yùn)輸層報(bào)文的頭部附加上這些信息，目標(biāo)主機(jī)就會(huì)知道我們要發(fā)送給哪個(gè)socket，對(duì)應(yīng)監(jiān)聽該socket的進(jìn)程就可獲得信息。

　　運(yùn)輸層協(xié)議

　　運(yùn)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(yùn)輸層協(xié)議，只實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間的通信；而TCP在UDP的基礎(chǔ)上，實(shí)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(shí)也更加復(fù)雜。

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

　　/ TCP協(xié)議首部 /

　　TCP協(xié)議，表現(xiàn)在報(bào)文上，就是會(huì)在應(yīng)用層傳輸下來的數(shù)據(jù)前附加上一個(gè)TCP首部，這個(gè)首部附加了TCP信息，先來整體看一下這個(gè)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(bào)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(biāo)端口。嗯？socket不是還需要IP進(jìn)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(huì)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(xiàng)字段中包含以下其他選項(xiàng)：

　　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(biāo)，而是把數(shù)據(jù)看成一個(gè)字節(jié) 流，給他們標(biāo)上序號(hào)之后分部分發(fā)送。這就是TCP的 面向字節(jié)流特性：

　　TCP會(huì)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(shí)為這些字節(jié)標(biāo)上序號(hào)

　　TCP會(huì)從發(fā)送方緩沖區(qū)選擇適量的字節(jié)組成TCP報(bào)文，通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給目標(biāo)

　　目標(biāo)會(huì)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(shí)候交付給應(yīng)用層

　　面向字節(jié)流的好處是無需一次存儲(chǔ)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(gè)音頻文件和一個(gè)文本文件，對(duì)于TCP來說就是一串字節(jié)流，沒有意義可言，這會(huì)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(gè)數(shù)據(jù)交給他，他肯定可以完整無誤地發(fā)送到目標(biāo)地址，除非網(wǎng)絡(luò)炸了。他實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)模型如下：

　　對(duì)于應(yīng)用層來說，他就是一個(gè)可靠傳輸?shù)牡讓又С址?wù)；而運(yùn)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?，但這樣網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜、效率會(huì)隨之降低。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC放在運(yùn)輸層，會(huì)更加合適。

　　可靠傳輸原理的重點(diǎn)總結(jié)一下有：滑動(dòng)窗口、超時(shí)重傳、累積確認(rèn)、選擇確認(rèn)、連續(xù)ARQ。

　　停止等待協(xié)議

　　要實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，最簡便的方法就是：我發(fā)送一個(gè)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(gè)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(gè)ack字段，當(dāng)他設(shè)置為1的時(shí)候，表示這個(gè)報(bào)文是一個(gè)確認(rèn)收到報(bào)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(huì)丟失，如果機(jī)器A發(fā)送了數(shù)據(jù)包丟失了，那么機(jī)器B永遠(yuǎn)接收不到數(shù)據(jù)，機(jī)器A永遠(yuǎn)在等待。解決這個(gè)問題的方法是：超時(shí)重傳。當(dāng)機(jī)器A發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)便開始計(jì)時(shí)，時(shí)間到還沒收到確認(rèn)回復(fù)，就可以認(rèn)為是發(fā)生了丟包，便再次發(fā)送，也就是重傳。

　　但重傳會(huì)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(shí)間比較久，這個(gè)時(shí)候機(jī)器B會(huì)受到兩個(gè)數(shù)據(jù)包，那么機(jī)器B是如何辨別這兩個(gè)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(jìn)行編號(hào)。這樣接收方就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的字節(jié)編號(hào)，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(gè)字段：序號(hào)和確認(rèn)號(hào)，他們表示發(fā)送方數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)的編號(hào)，和接收方期待的下一份數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的編號(hào)。前面講到TCP是面向字節(jié)流，但是他并不是一個(gè)字節(jié)一個(gè)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(gè)致命缺點(diǎn)：效率太低。發(fā)送方發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包之后便進(jìn)入等待，這個(gè)期間并沒有干任何事，浪費(fèi)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(huì)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(jìn)行確認(rèn)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?yàn)樾枰紤]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(huì)頻繁進(jìn)行重傳，浪費(fèi)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(dòng)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(dāng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)接收到確認(rèn)回復(fù)時(shí)，整個(gè)窗口會(huì)往前移動(dòng)，直到發(fā)送完成所有的數(shù)據(jù)

　　在TCP的首部有一個(gè)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(dòng)窗口，就可以實(shí)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(gè)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(rèn)回復(fù)報(bào)文，因?yàn)槊恳粋€(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包，必須得有一個(gè)確認(rèn)回復(fù)。提高網(wǎng)絡(luò)效率的方法是：累積確認(rèn) 。接收方不需要逐個(gè)進(jìn)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(gè)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(gè)超時(shí)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(gè)字節(jié)，編號(hào)為4的字節(jié)丟失了。按照累積確認(rèn)的思路，只能發(fā)送3的確認(rèn)回復(fù)，567都必須丟掉，因?yàn)榘l(fā)送方會(huì)進(jìn)行重傳。這就是GBN（go-back-n)思路。

　　但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，只需要重傳4即可，這樣不是很浪費(fèi)資源，所以就有了：選擇確認(rèn)SACK。在TCP報(bào)文的選項(xiàng)字段，可以設(shè)置已經(jīng)收到的報(bào)文段，每一個(gè)報(bào)文段需要兩個(gè)邊界來進(jìn)行確定。這樣發(fā)送方，就可以根據(jù)這個(gè)選項(xiàng)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(jìn)行一個(gè)小結(jié)：

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

　　通過給字節(jié)編號(hào)的方法，來標(biāo)記每一個(gè)數(shù)據(jù)是屬于重傳還是新的數(shù)據(jù)

　　通過超時(shí)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(dòng)窗口來實(shí)現(xiàn)流量控制

　　通過累積確認(rèn)+選擇確認(rèn)的方法來提高確認(rèn)回復(fù)與重傳的效率

　　當(dāng)然，這只是可靠傳輸?shù)谋揭唤牵信d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(gè)問題：避免網(wǎng)絡(luò)過分擁擠導(dǎo)致丟包嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)效率降低 。

　　拿現(xiàn)實(shí)的交通舉例子：

　　高速公路同一時(shí)間可通行的汽車數(shù)量是一定的，當(dāng)節(jié)假日時(shí)，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的堵車。在TCP中，數(shù)據(jù)包超時(shí)，會(huì)進(jìn)行重傳，也就是會(huì)進(jìn)來更多的汽車，這時(shí)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(gè)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(gè)東西，流量控制是擁塞控制的手段：為了避免擁塞，必須對(duì)流量進(jìn)行控制。擁塞控制目的是：限制每個(gè)主機(jī)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(hào)出行是一個(gè)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(shí)現(xiàn)是滑動(dòng)窗口，所以擁塞控制最終也是通過限制發(fā)送方的滑動(dòng)窗口大小來限制流量 。當(dāng)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?、帶寬、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(gè)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(diǎn)有4個(gè)：慢開始、快恢復(fù)、快重傳、擁塞避免。這里依舊獻(xiàn)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(hào)）。

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

　　當(dāng)窗口值到達(dá)ssthresh值，這個(gè)值是需要通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置的一個(gè)窗口限制值，開始進(jìn)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(shí)，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(gè)相同的確認(rèn)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(dāng)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(gè)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(shí)候，告知發(fā)送方我快滿了，而不是等到出現(xiàn)了超時(shí)再進(jìn)行處理，這是主動(dòng)隊(duì)列管理AQM。此外還有很多方法，但是上面的算法是重點(diǎn)。

　　/ 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(shí)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(shí)實(shí)在在的連接，而是通信雙方彼此之間的一個(gè)記錄。TCP是一個(gè)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(duì)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(duì)方準(zhǔn)備一個(gè)接收緩沖區(qū)可以接收對(duì)方的數(shù)據(jù)、記住對(duì)方的socket知道怎么發(fā)送數(shù)據(jù)、記住對(duì)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(gè)連接。

　　在運(yùn)輸層小節(jié)中講到，運(yùn)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(gè)連接只能有兩個(gè)對(duì)象，也就是兩個(gè)socket，而不能有三個(gè)。所以socket的定義需要源IP、源端口號(hào)、目標(biāo)IP、目標(biāo)端口號(hào)四個(gè)關(guān)鍵因素，才不會(huì)發(fā)生混亂。

　　假如TCP和UDP一樣只采用目標(biāo)IP+目標(biāo)端口號(hào)來定義socket，那么就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)發(fā)送方同時(shí)發(fā)送到同一個(gè)目標(biāo)socket的情況。這個(gè)時(shí)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(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　既然是連接，就有兩個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)：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(duì)方的信息。所以雙方都需要發(fā)送彼此的信息給對(duì)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(duì)方給予我們一個(gè)確認(rèn)回復(fù)，才可以保證消息正確到達(dá)。如下圖：

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

　　步驟如下：

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

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

　　機(jī)器A收到回復(fù)之后記錄機(jī)器B 的信息，發(fā)送ack信息，自身進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，表示已經(jīng)完全準(zhǔn)備好了，可以進(jìn)行發(fā)送和接收；

　　機(jī)器B收到ACK數(shù)據(jù)之后，進(jìn)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(jī)器A發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，向機(jī)器B請(qǐng)求斷開連接，自身進(jìn)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(biāo)志位為1）；

　　2. 機(jī)器B收到FIN包之后，回復(fù)ack包表示已經(jīng)收到，但此時(shí)機(jī)器B可能還有數(shù)據(jù)沒發(fā)送完成，自身進(jìn)入CLOSE_WAIT狀態(tài)，表示對(duì)方已發(fā)送完成且請(qǐng)求關(guān)閉連接，自身發(fā)送完成之后可以關(guān)閉連接；

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

　　4. 機(jī)器A收到FIN包之后，知道機(jī)器B也發(fā)送完成了，回復(fù)一個(gè)ACK包，并進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)

　　TIME_WAIT狀態(tài)比較特殊。當(dāng)機(jī)器A收到機(jī)器B的FIN包時(shí)，理想狀態(tài)下，確實(shí)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(jī)器B 發(fā)送了一些數(shù)據(jù)還沒到達(dá)（比FIN包慢）；

　　同時(shí)回復(fù)的ACK包可能丟失了，機(jī)器B會(huì)重傳FIN包；

　　如果此時(shí)機(jī)器A馬上關(guān)閉連接，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整、機(jī)器B無法釋放連接等問題。所以此時(shí)機(jī)器A需要等待2個(gè)報(bào)文生存最大時(shí)長，確保網(wǎng)絡(luò)中沒有任何遺留報(bào)文了，再關(guān)閉連接

　　5. 最后，機(jī)器A等待兩個(gè)報(bào)文存活最大時(shí)長之后，機(jī)器B 接收到ACK報(bào)文之后，均關(guān)閉連接，進(jìn)入CLASED狀態(tài)

　　雙方之間4次互相發(fā)送報(bào)文來斷開連接的過程，就是四次揮手。

　　現(xiàn)在，對(duì)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(yùn)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(dú)樹一幟，那UDP就是精簡主義亂拳打死老師傅。

　　UDP只實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸層最少的功能：進(jìn)程間通信。對(duì)于應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)，UDP只是附加一個(gè)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(biāo)端口：端口號(hào)用來區(qū)分主機(jī)的不同進(jìn)程

　　校驗(yàn)碼：用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如某個(gè)1變成了0

　　長度：報(bào)文的長度

　　所以UDP的功能也只有兩個(gè)：校驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)是否發(fā)生錯(cuò)誤、區(qū)分不同的進(jìn)程通信。

　　但，TCP的功能雖然多，但同時(shí)也是要付出相對(duì)應(yīng)的代價(jià)。例如面向連接的特性，在建立和斷開連接的時(shí)候會(huì)有開銷；擁塞控制的特性，會(huì)限制傳輸?shù)纳舷薜鹊?。下面來羅列一下UDP的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　UDP的缺點(diǎn)

　　無法保證消息完整、正確到達(dá)，UDP是一個(gè)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(diǎn)

　　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(gè)客戶創(chuàng)建緩存等

　　分組首部字節(jié)少，開銷小；TCP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(gè)數(shù)據(jù)包都完整到達(dá)，允許一定的丟包率，這個(gè)時(shí)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(jìn)行廣播；UDP并不是面向連接的，所以可以同時(shí)對(duì)多個(gè)進(jìn)程進(jìn)行發(fā)送報(bào)文

　　UDP適用場景

　　UDP適用于對(duì)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(bǔ)充 /

　　分塊傳輸

　　我們可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸層在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，并不是把整個(gè)數(shù)據(jù)包加個(gè)首部直接發(fā)送過去，而是會(huì)拆分成多個(gè)報(bào)文分開發(fā)送；那他這樣做原因是什么？

　　有讀者可能會(huì)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(bào)文太長，那么極有可能在傳輸一般的時(shí)候突然中斷了，這個(gè)時(shí)候就要整個(gè)數(shù)據(jù)重傳，效率就降低了。把數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，那么當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)丟失，只需要重傳該數(shù)據(jù)報(bào)即可。

　　那是不是拆分得越細(xì)越好？報(bào)文中數(shù)據(jù)字段長度太低，會(huì)使得首部的占比太大，這樣首部就會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)傳輸最大的負(fù)擔(dān)了。例如1000字節(jié)，每個(gè)報(bào)文首部是40字節(jié)，如果拆分成10個(gè)報(bào)文，那么只需要傳輸400字節(jié)的首部；而如果拆分成1000個(gè)，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(jī)A的數(shù)據(jù)包可以又 1-3-6-7路徑進(jìn)行傳送

　　如果路由3壞掉了，那么可以從 1-4-6-7進(jìn)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(cuò)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(gè)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(jī)A和主機(jī)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(jìn)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(bào)文，然后發(fā)送給目標(biāo)對(duì)象。而如果應(yīng)用層傳輸下來的是兩個(gè)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(biāo)進(jìn)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(gè)流，并把流拆分成4段進(jìn)行發(fā)送

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

　　目標(biāo)進(jìn)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(gè)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(gè)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(gè)報(bào)文只包含一個(gè)文件的數(shù)據(jù)，不足的用0補(bǔ)充等等。

　　惡意攻擊

　　TCP的面向連接特點(diǎn)可能會(huì)被惡意的人利用，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行攻擊。

　　前面我們知道，當(dāng)我們向一個(gè)主機(jī)發(fā)送syn包請(qǐng)求創(chuàng)建連接時(shí)，服務(wù)器會(huì)為我們創(chuàng)建緩沖區(qū)等，然后向我們返回syn+ack報(bào)文；如果我們偽造IP和端口，向一個(gè)服務(wù)器進(jìn)行海量的請(qǐng)求，會(huì)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(qǐng)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(shí)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(qǐng)求都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)TCP連接，服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)之后就會(huì)關(guān)閉連接；如果在短時(shí)間內(nèi)有大量的請(qǐng)求，那么頻繁創(chuàng)建TCP連接關(guān)閉TCP連接是一個(gè)很浪費(fèi)資源的行為。所以我們可以讓TCP連接不要關(guān)閉，在這個(gè)期間進(jìn)行請(qǐng)求，提高效率。

　　需要注意長連接維持時(shí)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(shí)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(shí)上，在沒應(yīng)用到的時(shí)候，對(duì)這些知識(shí)很難有更深層次的認(rèn)知，例如現(xiàn)在我看上面的總結(jié)，很多只是表面上的認(rèn)知，不知道他背后代表的真正含義。

　　但當(dāng)我學(xué)習(xí)的更加廣泛、深入，會(huì)對(duì)這些知識(shí)有越來越深刻的認(rèn)識(shí)。有那么幾個(gè)瞬間覺得：哦原來那個(gè)東西是這樣運(yùn)用，那個(gè)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(dāng)用到或者學(xué)到相關(guān)的應(yīng)用時(shí)，會(huì)有一個(gè)頓悟感，會(huì)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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