0x01 TCP/IP简介

Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写,是现行国际互联网所公用的一套基础网络协议。下图展示了TCP/IP协议族:
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另一方面,TCP/IP协议并不完全符合OSI的7层参考模型(应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层)下面是对应的参考:
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0x02 三次握手

对于互联网网络的传输,有“三次握手”的说法,即:
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上图主要包括三部分:建立连接、传输数据、断开连接。

  1. 建立TCP连接很简单,通过三次握手便可建立连接。
  2. 建立好连接后,开始传输数据。TCP数据传输牵涉到的概念很多:超时重传、快速重传、流量控制、拥塞控制等等。
  3. 断开连接的过程也很简单,通过四次握手完成断开连接的过程。

三次握手建立连接:

  • 第一次握手:客户端发送syn包(seq=x)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;
  • 第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=x+1),同时自己也发送一个SYN包(seq=y),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;
  • 第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=y+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。
  • 握手过程中传送的包里不包含数据,三次握手完毕后,客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下,TCP连接一旦建立,在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前,TCP 连接都将被一直保持下去。

0x03 传输数据过程

a.超时重传

超时重传机制用来保证TCP传输的可靠性。每次发送数据包时,发送的数据报都有seq号,接收端收到数据后,会回复ack进行确认,表示某一seq号数据已经收到。发送方在发送了某个seq包后,等待一段时间,如果没有收到对应的ack回复,就会认为报文丢失,会重传这个数据包。

b.快速重传

接受数据一方发现有数据包丢掉了。就会发送ack报文告诉发送端重传丢失的报文。如果发送端连续收到标号相同的ack包,则会触发客户端的快速重传。比较超时重传和快速重传,可以发现超时重传是发送端在傻等超时,然后触发重传;而快速重传则是接收端主动告诉发送端数据没收到,然后触发发送端重传。

c.流量控制

这里主要说TCP滑动窗流量控制。TCP头里有一个字段叫Window,又叫Advertised-Window,这个字段是接收端告诉发送端自己还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据,而不会导致接收端处理不过来。 滑动窗可以是提高TCP传输效率的一种机制。

d.拥塞控制

滑动窗用来做流量控制。流量控制只关注发送端和接受端自身的状况,而没有考虑整个网络的通信情况。拥塞控制,则是基于整个网络来考虑的。考虑一下这样的场景:某一时刻网络上的延时突然增加,那么,TCP对这个事做出的应对只有重传数据,但是,重传会导致网络的负担更重,于是会导致更大的延迟以及更多的丢包,于是,这个情况就会进入恶性循环被不断地放大。试想一下,如果一个网络内有成千上万的TCP连接都这么行事,那么马上就会形成“网络风暴”,TCP这个协议就会拖垮整个网络。为此,TCP引入了拥塞控制策略。拥塞策略算法主要包括:慢启动,拥塞避免,拥塞发生,快速恢复。

0x04 四次握手断开连接

第一次挥手:主动关闭方发送一个FIN,用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送,也就是主动关闭方告诉被动关闭方:我已经不会再给你发数据了(当然,在fin包之前发送出去的数据,如果没有收到对应的ack确认报文,主动关闭方依然会重发这些数据),但此时主动关闭方还可以接受数据。
第二次挥手:被动关闭方收到FIN包后,发送一个ACK给对方,确认序号为收到序号+1(与SYN相同,一个FIN占用一个序号)。
第三次挥手:被动关闭方发送一个FIN,用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送,也就是告诉主动关闭方,我的数据也发送完了,不会再给你发数据了。
第四次挥手:主动关闭方收到FIN后,发送一个ACK给被动关闭方,确认序号为收到序号+1,至此,完成四次挥手。

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