TCP/IP 协议详解

1.  TCP/IP协议模型

  OSI参考模型分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。其实际是一个指导作用的协议，并没有实际的实现。主要还是看实际使用的TCP/IP协议。

  TCP/IP协议分为四层：应用层、传输层、网络层、链路层（包含物理层）。它是我们在实际开发中使用的协议。

  白话一点理解他们的功能：

•   应用层：用户应用程序按照一定的规范(即协议)包装数据，包括数据格式化、代码转换、数据加密等。将数据发送给操作系统内核，来完成接下来的操作。协议栈：TFTP、HTTP、SMTP、DNS、Telnet、FTP、SNMP等
•        传输层：为运行在不同主机上的应用进程之间提供逻辑通信。主要分为两种协议，TCP和UDP。传输层仍然只存在于端系统。

     TCP：面向连接的可靠的协议。在发送端，它负责将上层传下来的字节流分组，添加TCP首部（有序）组成报文段发送到下层。在接收端它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。同时要处理端到端的流量控制。

     UDP：不可靠的，无连接的协议。中文名叫做用户数据报协议。主要用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。

•   网络层：提供端到端的逻辑通信。将运输层提交的报文段和目的地址，组成IP数据报。通过多种路由选择协议，进行路由的选择。协议栈：IP、ICMP、RIP、OSPF、BGP、IGMP等

     IP协议：规定了在数据报中的各个字段，以及端系统和路由器应该如何作用于这些字段。IP仅有一个，所有具有网络层的因特网组件必须运行IP。

•   链路层：网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。为了将分组从一个节点移动到路径上的下一个节点，网络层必须依靠链路层的服务。在每个节点，网络层将数据报下传给链路层，链路层将数据报封装成帧，沿着路径将数据报传递给下一个节点。在该下一个节点，链路层将数据报上传给网络层。

     链路层提供的可能服务包括：成帧、链路接入、可靠交付、差错检测和纠正。协议栈：PPP、ARP等

     物理层：实际传递电信号的光纤、网线等。 标准：ISO2110、IEEE802、IEEE802.2

2.  TCP报文头

源端口（Source Port）\目的端口（Destination Port）2字节：通过IP确认端系统，通过端口和协议确认唯一进程。 seq序号（Sequence Number） 4字节: 表示该报文段所发送数据的第一个字节的编号，在TCP连接中所传输的数据字节流的每一个字节都会按顺序编号（数据部分）。一个报文头的编号如果为1001，携带1000个字节的数据。那么下一个报文段的序号就应该是2001。 Ack确认号（Acknowledgment Number） 4字节：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号，也就是告诉发送方：我希望你下次发送的数据的第一个字节数据的编号为此确认号。 数据偏移（Offset）：表示TCP报文段的首部长度，共4位，由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，需要制定这个TCP报文段到底有多长，他指出TCP报文段的数据起始距离距离TCP报文段的起始处有多远。 TCP标志位： URG：紧急指针标志，表示本报文中发送的数据是否包含紧急数据，后面的紧急指针字段周游荡URG=1才有效。 ACK：确认序号有效，只有ACK=1的时候，前面的确认号字段才有效，TCP规定，建立连接后，ACK必须为1，带ACK标志的TCP报文段称为确认报文段 PSH：push标志。如果为1，表示对方应当立即吧数据交给上层应用，而不是缓存起来，如果应用程序不将收到的数据读走，就会一直停留在TCP接收缓冲区中 RST：重置连接标志。如果收到RST=1的报文，说明与主机的连接出现严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后重新建立连接 SYN：建立一个新连接。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段，当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文 FIN：断开一个连接，表示通知告知对方本段要关闭连接了，标记数据是否发送完毕，当FIN=1，表示告诉对方“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”，代FIN标志的TCP报文段称为结束报文段 窗口（window）：表示现在允许对方发送的数据量，也就是告诉对方，本报文段确认号开始允许对方发送的数据量，到达此值，需要ACK确认后才能继续发送数据。以此达到流量控制的目的。 检验和（Checksum）：对整个报文段进行校验，发送端计算，接收端校验，以保证数据的完整和正确性。 紧急指针（Urgent Pointer）：标记紧急数据在数据字段中的位置，只有当URG为1时才有效。

3.  TCP 3次握手

   在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

  第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=1，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）,然后返回一个SYN包（seq = y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

  第三次握手：客户端收到服务器端的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ESTABLISH状态，完成三次握手。

4.  TCP 4次挥手

  第一次：客户端发送一个FIN包，用来关闭客户端到服务端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态；

  第二次：服务端收到FIN后，发送一个确认 ACK包给客户端（FIN与SYN一样占一个序号），服务进入CLOSE_WAIT状态；

  ——————这中间的过程服务端会将剩余的所有数据发送完毕之后

  第三次：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，服务端进入LAST_ACK状态；

  第四次：客户端收到FIN后，客户端进入TIME_WAIT状态，紧着发送一个ACK给服务端，客户端关闭进入CLOSED状态。完成四次挥手。

  客户端在TIME_WAIT状态等待2MSL时间后，关闭。MSL为最长报文段生命，Linux系统为30秒。

  等待的原因：1. 如果最后一次ACK确认，服务端没有收到，服务端可能会重发FIN包。2. 避免新旧连接混淆，有足够的时间让这个连接，不会跟后面的连接混在一起，因为有些路由器会缓存IP数据包。如果连接被重用了，那么这些延迟被收到的包就有可能跟新连接混在一起。

服务器出现CLOSE_WAIT状态的原因？？?
问题其中一个表现是客户端一直在请求，但是返回给客户端的信息是异常的。服务端压根也没收到请求。

服务器保持大量的CLOSE_WAIT只有一种情况，那就是在对方发送一个FIN报文之后，程序这边没有进一步发送ACK，或者FIN报文以确认。

原因只有一点，服务器没有主动关闭，可能是bug，代码层面资源没有释放。也可能是各种原因导致的性能问题，导致不能及时释放。

5.　　TCP滑动窗口

　　RTT：发送一个报文段，到接收到ACK确认回执所需要的事件。

　　RTO：重传定时器，根据RTT计算时间间隔，未收到回执则进行重传。

　　窗口大小的计算： 即接收端剩余缓存的大小

  AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer - (LastByteRcvd - LastByteRead)

   发送端可以发送的数据大小：即接收端剩余缓存大小 - 已发送未回执的数据大小

  EffectiveWindow = AdvertiseWindow - (LastByteSent - LastByteAcked)

对于发送端，字节流可以分为4种状态，1. 发送已确认； 2. 发送未确认；3. 未发送但根据窗口大小计算可以发送；4. 未发送也不允许发送（即超出接收端缓存大小的部分）。当接收端不停的接收数据并发送回执，窗口也会向后移动。如下图所示：