TCP/IP協(xié)議是什么
TCP和UDP處在同一層---運(yùn)輸層，但是TCP和UDP最不同的地方是，TCP提供了一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，TCP是面向連接的，也就是說(shuō)，利用TCP通信的兩臺(tái)主機(jī)首先要經(jīng)歷一個(gè)“撥打電話”的過(guò)程，等到通信準(zhǔn)備結(jié)束才開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，最后結(jié)束通話。所以TCP要比UDP可靠的多，UDP是把數(shù)據(jù)直接發(fā)出去，而不管對(duì)方是不是在收信，就算是UDP無(wú)法送達(dá)，也不會(huì)產(chǎn)生ICMP差錯(cuò)報(bào)文，這一經(jīng)時(shí)重申了很多遍了。
把TCP保證可靠性的簡(jiǎn)單工作原理:
應(yīng)用數(shù)據(jù)被分割成TCP認(rèn)為最適合發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。這和UDP完全不同，應(yīng)用程序產(chǎn)生的 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度將保持不變。由TCP傳遞給IP的信息單位稱為報(bào)文段或段
當(dāng)TCP發(fā)出一個(gè)段后，它啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待目的端確認(rèn)收到這個(gè)報(bào)文段。如果不能 及時(shí)收到一個(gè)確認(rèn)，將重發(fā)這個(gè)報(bào)文段.
當(dāng)TCP收到發(fā)自TCP連接另一端的數(shù)據(jù)，它將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)。這個(gè)確認(rèn)不是立即發(fā)送，通常將推遲幾分之一秒.
TCP將保持它首部和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和。這是一個(gè)端到端的檢驗(yàn)和，目的是檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸 過(guò)程中的任何變化。如果收到段的檢驗(yàn)和有差錯(cuò)， T P將丟棄這個(gè)報(bào)文段和不確認(rèn)收到此報(bào)文段(希望發(fā)端超時(shí)并重發(fā))。
既然TCP報(bào)文段作為IP數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)傳輸，而IP數(shù)據(jù)報(bào)的到達(dá)可能會(huì)失序，因此TCP報(bào)文段 的到達(dá)也可能會(huì)失序。如果必要， TCP將對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，將收到的數(shù)據(jù)以正確的順序交給應(yīng)用層。
TCP還能提供流量控制。TCP連接的每一方都有固定大小的緩沖空間。TCP的接收端只允許另一端發(fā)送接收端緩沖區(qū)所能接納的數(shù)據(jù)。這將防止較快主機(jī)致使較慢主機(jī)的緩沖區(qū)溢出。
從這段話中可以看到，TCP中保持可靠性的方式就是超時(shí)重發(fā)，這是有道理的，雖然TCP也可以用各種各樣的ICMP報(bào)文來(lái)處理這些，但是這也不是可靠的，最可靠的方式就是只要不得到確認(rèn)，就重新發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，直到得到對(duì)方的確認(rèn)為止。
TCP的首部和UDP首部一樣，都有發(fā)送端口號(hào)和接收端口號(hào)。但是顯然，TCP的首部信息要比UDP的多，可以看到，TCP協(xié)議提供了發(fā)送和確認(rèn)所需要的所有必要的信息。可以想象一個(gè)TCP數(shù)據(jù)的發(fā)送應(yīng)該是如下的一個(gè)過(guò)程。
雙方建立連接
發(fā)送方給接受方TCP數(shù)據(jù)報(bào)，然后等待對(duì)方的確認(rèn)TCP數(shù)據(jù)報(bào)，如果沒(méi)有，就重新發(fā)，如果有，就發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。
接受方等待發(fā)送方的數(shù)據(jù)報(bào)，如果得到數(shù)據(jù)報(bào)并檢驗(yàn)無(wú)誤，就發(fā)送ACK(確認(rèn))數(shù)據(jù)報(bào)，并等待下一個(gè)TCP數(shù)據(jù)報(bào)的到來(lái)。直到接收到FIN(發(fā)送完成數(shù)據(jù)報(bào))
中止連接
可以想見(jiàn)，為了建立一個(gè)TCP連接，系統(tǒng)可能會(huì)建立一個(gè)新的進(jìn)程(最差也是一個(gè)線程)，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送
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TCP協(xié)議
TCP是一個(gè)面向連接的協(xié)議，在發(fā)送輸送之前 ，雙方需要確定連接。而且，發(fā)送的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行TCP層的分片處理。
TCP連接的建立過(guò)程 ，可以看成是三次握手 。而連接的中斷可以看成四次握手 。
1.連接的建立
在建立連接的時(shí)候，客戶端首先向服務(wù)器申請(qǐng)打開(kāi)某一個(gè)端口(用SYN段等于1的TCP報(bào)文)，然后服務(wù)器端發(fā)回一個(gè)ACK報(bào)文通知客戶端請(qǐng)求報(bào)文收到，客戶端收到確認(rèn)報(bào)文以后再次發(fā)出確認(rèn)報(bào)文確認(rèn)剛才服務(wù)器端發(fā)出的確認(rèn)報(bào)文(繞口么)，至此，連接的建立完成。這就叫做三次握手。如果打算讓雙方都做好準(zhǔn)備的話，一定要發(fā)送三次報(bào)文，而且只需要三次報(bào)文就可以了。
可以想見(jiàn)，如果再加上TCP的超時(shí)重傳機(jī)制，那么TCP就完全可以保證一個(gè)數(shù)據(jù)包被送到目的地。
2.結(jié)束連接
TCP有一個(gè)特別的概念叫做half-close，這個(gè)概念是說(shuō)，TCP的連接是全雙工(可以同時(shí)發(fā)送和接收)連接，因此在關(guān)閉連接的時(shí)候，必須關(guān)閉傳和送兩個(gè)方向上的連接。客戶機(jī)給服務(wù)器一個(gè)FIN為1的TCP報(bào)文，然后服務(wù)器返回給客戶端一個(gè)確認(rèn)ACK報(bào)文，并且發(fā)送一個(gè)FIN報(bào)文，當(dāng)客戶機(jī)回復(fù)ACK報(bào)文后(四次握手)，連接就結(jié)束了。
3.最大報(bào)文長(zhǎng)度
在建立連接的時(shí)候，通信的雙方要互相確認(rèn)對(duì)方的最大報(bào)文長(zhǎng)度(MSS)，以便通信。一般這個(gè)SYN長(zhǎng)度是MTU減去固定IP首部和TCP首部長(zhǎng)度。對(duì)于一個(gè)以太網(wǎng)，一般可以達(dá)到1460字節(jié)。當(dāng)然如果對(duì)于非本地的IP，這個(gè)MSS可能就只有536字節(jié)，而且，如果中間的傳輸網(wǎng)絡(luò)的MSS更加的小的話，這個(gè)值還會(huì)變得更小。
4.客戶端應(yīng)用程序的狀態(tài)遷移圖
客戶端的狀態(tài)可以用如下的流程來(lái)表示：
CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED
以上流程是在程序正常的情況下應(yīng)該有的流程，從書(shū)中的圖中可以看到，在建立連接時(shí)，當(dāng)客戶端收到SYN報(bào)文的ACK以后，客戶端就打開(kāi)了數(shù)據(jù)交互地連接。而結(jié)束連接則通常是客戶端主動(dòng)結(jié)束的，客戶端結(jié)束應(yīng)用程序以后，需要經(jīng)歷FIN_WAIT_1，F(xiàn)IN_WAIT_2等狀態(tài)，這些狀態(tài)的遷移就是前面提到的結(jié)束連接的四次握手。
5.服務(wù)器的狀態(tài)遷移圖
服務(wù)器的狀態(tài)可以用如下的流程來(lái)表示：
CLOSED->LISTEN->SYN收到->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED
在建立連接的時(shí)候，服務(wù)器端是在第三次握手之后才進(jìn)入數(shù)據(jù)交互狀態(tài)，而關(guān)閉連接則是在關(guān)閉連接的第二次握手以后(注意不是第四次)。而關(guān)閉以后還要等待客戶端給出最后的ACK包才能進(jìn)入初始的狀態(tài)。
6.TCP服務(wù)器設(shè)計(jì)
前面曾經(jīng)講述過(guò)UDP的服務(wù)器設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)UDP的服務(wù)器完全不需要所謂的并發(fā)機(jī)制，它只要建立一個(gè)數(shù)據(jù)輸入隊(duì)列就可以。但是TCP不同，TCP服務(wù)器對(duì)于每一個(gè)連接都需要建立一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程(或者是輕量級(jí)的，線程)，來(lái)保證對(duì)話的獨(dú)立性。所以TCP服務(wù)器是并發(fā)的。而且TCP還需要配備一個(gè)呼入連接請(qǐng)求隊(duì)列(UDP服務(wù)器也同樣不需要)，來(lái)為每一個(gè)連接請(qǐng)求建立對(duì)話進(jìn)程，這也就是為什么各種TCP服務(wù)器都有一個(gè)最大連接數(shù)的原因。而根據(jù)源主機(jī)的IP和端口號(hào)碼，服務(wù)器可以很輕松的區(qū)別出不同的會(huì)話，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分發(fā)。
TCP的交互數(shù)據(jù)流
對(duì)于交互性要求比較高的應(yīng)用，TCP給出兩個(gè)策略來(lái)提高發(fā)送效率和減低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)：(1)捎帶ACK。(2)Nagle算法(一次盡量多的發(fā)數(shù)據(jù))
捎帶ACK的發(fā)送方式
這個(gè)策略是說(shuō)，當(dāng)主機(jī)收到遠(yuǎn)程主機(jī)的TCP數(shù)據(jù)報(bào)之后，通常不馬上發(fā)送ACK數(shù)據(jù)報(bào)，而是等上一個(gè)短暫的時(shí)間，如果這段時(shí)間里面主機(jī)還有發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)的TCP數(shù)據(jù)報(bào)，那么就把這個(gè)ACK數(shù)據(jù)報(bào)“捎帶”著發(fā)送出去，把本來(lái)兩個(gè)TCP數(shù)據(jù)報(bào)整合成一個(gè)發(fā)送。一般的，這個(gè)時(shí)間是200ms。可以明顯地看到這個(gè)策略可以把TCP數(shù)據(jù)報(bào)的利用率提高很多。
Nagle算法
上過(guò)bbs的人應(yīng)該都會(huì)有感受，就是在網(wǎng)絡(luò)慢的時(shí)候發(fā)貼，有時(shí)鍵入一串字符串以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，客戶端“發(fā)瘋”一樣突然回顯出很多內(nèi)容，就好像數(shù)據(jù)一下子傳過(guò)來(lái)了一樣，這就是Nagle算法的作用。
Nagle算法是說(shuō)，當(dāng)主機(jī)A給主機(jī)B發(fā)送了一個(gè)TCP數(shù)據(jù)報(bào)并進(jìn)入等待主機(jī)B的ACK數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)時(shí)，TCP的輸出緩沖區(qū)里面只能有一個(gè)TCP數(shù)據(jù)報(bào)，并且，這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)不斷地收集后來(lái)的數(shù)據(jù)，整合成一個(gè)大的數(shù)據(jù)報(bào)，等到B主機(jī)的ACK包一到，就把這些數(shù)據(jù)“一股腦”的發(fā)送出去。雖然這樣的描述有些不準(zhǔn)確，但還算形象和易于理解，我們同樣可以體會(huì)到這個(gè)策略對(duì)于低減網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的好處。
在編寫(xiě)插口程序的時(shí)候，可以通過(guò)TCP_NODELAY來(lái)關(guān)閉這個(gè)算法。并且，使用這個(gè)算法看情況的，比如基于TCP的X窗口協(xié)議，如果處理鼠標(biāo)事件時(shí)還是用這個(gè)算法，那么“延遲”可就非常大了。
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