TCP学习笔记(一) 初遇篇

前言

关于计算机网络方面的内容，我比较苦恼，该如何组织内容，将这部分内容如何和自己对网络编程的认知结合起来，还有就是介绍顺序，引论之后是按照大学教材的顺序，还是跳过物理层(这一层离程序员确实有点远，所以这部分内容不考虑介绍)，数据链路层、网络层，应用层，还是自顶向下，应用层、传输层、网络层、数据链路层。这其实也是在取舍，因为我大学上这门课的时候，教材的顺序是自下往顶， 然后我听了大概几个星期之后，完全选择放弃，因为听不懂，我感觉这些东西摸不到，我得到的只是一些抽象的概念，落不了地，也可能跟当时没有做过网络开发的工作相关，在毕业之后实习，写了一点网络编程的代码，才慢慢理解起大学教材的概念，所以这也是这个系列会穿插一点网络编程框架介绍的原因。今天在应用层、网络层、传输层，这三层斟酌了颇长时间，最终还是决定先写TCP相关的内容。

我们回忆一下在《计算机网络引论》里面的内容， 看似简单而又日常的网络通信，其实是一个复杂的问题，为了降低问题的复杂度，计算机网络的先驱们，采取了分层的策略来解决通信过程中所遇到的问题，国际化标准组织于1977年成立了专门的组织来研究该问题，该组织提出的分层方案是将网络分为七层 ， 由于该模型比较理想化，最终没被市场所采用，最终流行的是TCP/IP协议的四层标准，在学习计算机网络原理的时候往往采取折中的方案，将网络分为五层。

五层协议的体系结构只是为介绍网络原理，实际应用还是TCP/IP协议的四层体系结构。我们自顶向上再来大致的介绍一下各层的职能划分，加深记忆。

• 物理层: 规定电气特性，多大的电压代表“1”或“0”等

• 数据链路层: 两台计算机之间的数据传输总是在一段一点的链路上传送的，这就需要专门的链路层的协议。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层

  将网络层交下来的数据包组装成帧，每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。

这样说可能有点抽象，我们来讲一个小故事来体会一下:

杨贵妃喜欢吃香蕉，皇帝为了让爱妃吃的开心，皇帝命令大臣日夜兼程将香蕉从海南运输到长安。

那么香蕉从海南到长安总共需要几步:

第一步: 首先需要用船将香蕉运出岛，运到广东的码头。

第二步: 从广东运向长安，这个时候还没有飞机，所以中间会坐船，骑马，换乘交通工具。

第三步: 香蕉到达目的地。

如果将士兵比喻成IP包，则马、船只就是数据链路层，这也就是IP包每一跳需要更换数据链路层，就如同士兵需要不断变换交通工具一样自然，形势所迫。

那为什么士兵会选择将香蕉运到广东，从广东再运到长安，而不是运到非洲再运到长安呢，因为你广东离长安更近啊。

那为什么士兵不直接奔向长安？ 而是先到广东码头，因为码头是必经之地，码头是通向目的地长安的一块跳板，尽管不是最终目的地，但士兵(IP包)却需要经过它。

如果有飞机呢，士兵是不是可以直飞长安呢，在这里飞机同样是数据链路层，因为它的目的是服务士兵(IP) 包，而士兵最终的目的地：长安。

• 网络层:

在《计算机网络引论》中，我们讲到IP层还有一个类似于实际住址的功能，便于动态路由，mac地址像是身份证，而IP层的IP则像是实际住址一样。

但其实这个必须还是有不恰当的地方，这事实上把一部分传输层的功能也划入了网络层，mac地址更像是房间的地址，房子一旦建成，经度纬度不会再发生变化了。快递到达实际居住房间之后，里面有好多人，那怎么确定这个快递是谁的呢，这就是传输层的任务之一。

• 传输层

有了IP、MAC地址，还是无法确定这个数据包要给哪个进程，运输层提出了端口的概念，通过IP+端口即可确定这个数据包可以给谁，类似于快递到房间之后，会叫名字，由于名字不是唯一的，快递员还会复核一下手机号。但快递的东西丢失了怎么办，让卖家再发一次喽，虽然在运输过程中都是在尽最大努力交付，但是在运输过程中还是可能产生丢数据包的现象，一般的买家会让卖家再重发，这样的买家和卖家是TCP协议， 但有的买卖双方是丢了也不给你重发，也就是UDP协议。

• 应用层

有了快马加鞭运输系统，皇帝大人一般是不怎么担心运输问题的，有的时候皇帝会发旨意，有的时候会发赏赐，这也就是应用进程之间的交互。

TCP 概述

连接管理

TCP是TCP/IP体系中非常复杂的一个协议，TCP是面向连接的运输层协议，这就是说应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接，在数据释放完之后，必须释放已经建立的TCP连接。其实在学到这个TCP连接的时候，我对这个连接多多少少是感觉理解不透的，我将其理解为通信之前确认通信双方的状态，打电话的时候有个拨号的过程，但是对面挂断电话的话，这个打电话界面也就退出了，这个我是理解的，但是这个连接我就理解不到实体上，哪个是电话，拨号过程在哪里？再有，我如何去使用TCP协议，TCP协议是蛮复杂的一个协议，我要编写通讯软件不会还要我自己去实现一把这个协议吧。

当然不会让程序员用高级语言再实现一把TCP协议，这是一个庞大而又复杂的工程，TCP/IIP协议已经驻留在操作系统中，由于TCP/IP协议被设计成能运行在多种操作系统的环境中，因此TCP/IP协议标准没有规定应用程序与TCP/IP协议如何接口(调用)的细节，而是允许系统设计者能够选择有关API的具体实现细节。

目前来说只有几种可供应用程序使用的TCP/IP的应用程序接口，最著名的就是美国加利福利亚大学伯克利分校为Berkeley UNIX操作系统定义的API，被称为套接字接口(socket interface)。微软在其操作系统中采用了套接字 API，但是有一点不同，我们称之为Windows Socket。AT&T的Unix System V版本定义的接口，简写为TLI(Transport Layer port)

因为有不同的实现，所以在不同的操作系统上行为可能会有点差异，也就是在TCP/IP协议上做单独的定制，但最终都实现了TCP/IP协议，主要的行为不会有差异。
操作系统对外部暴露运输层和应用层通信的接口，一般我们称之为Socket API。一般高级语言都留有调用操作系统Socket API的实现。我们用Java来演示一下调用操作系统提供的运输层TCP协议:

public class SocketClient{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 这行代码会尝试和我本地端口为12345建立连接
        // 如果一直追着看会发现,最终调的是一个native方法
        // 最终还是调的操作系统的方法
        // 由操作系统返回是否能够建立连接、连接状态
        Socket socket = new Socket(\"127.0.0.1\",12345);
    }
}

这就类似于打电话了，通信之前，确认信道的质量。多数与TCP相关的文章都会从三次握手和四次握手出发，这里我试图先大致描绘出TCP的主体，再分别去介绍TCP的各个部分。连接管理也是TCP协议中的一个重要部分。

可靠传输概述

TCP协议提供可靠交付服务，通过TCP连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复，并且按序到达。我们称之为可靠传输，为了实现可靠性传输，需要考虑很多事情，例如数据的破坏、丢包、重复以及分片顺序混乱等问题。如果不能解决这些问题，也就无从谈起可靠传输。

我们先大致先从最简单的停止等待协议入手，看看为了实现可靠传输要做哪些事情，真正的TCP使用的可靠传输协议要远比这个停止等待协议要复杂的多。

全双工通信的双方既是否发送方也是接收方，为了讨论问题方便，我们仅考虑A发送数据B接收数据并发送确认。因此A叫做发送方，而B叫做接收方，将传送的数据单元都称为分组。停止等待协议中的停止等待就是每发送一个分组就停止发送，等待对方的确认，在收到确认之后，再发送下一个分组。

停止等待协议可以用下图来说明:

上面是一种非常理想的通信情况，A发送分组M1，发完就暂停发送，等待B的确认。B收到了M1就向A发送确认，A收到了对M1的确认，就发送下一个分组M2。

同样，在收到B对M2的确认之后，再发送M3. 但是如果说在传输过程中出现了差错呢，B在接收到M1时对M1进行检测，发现M1缺失，就丢弃M1这个报文，当然也可能B压根就没收到M1，在这种情况下，B都会向A发送任何消息。可靠传输协议一般是这么设计的: A只要超过一段时间仍然没有收到确认，就认为刚才发送的分组丢失了，因而重传前面发过的分组，这叫超时重传。 要实现超时重传，就要在每发送一个分组时，设置一个超时计时器。如果在超时计时器到期之前收到了对方的通知，就撤销设置的超时计时器。

这里应该注意以下三点:

• A在发送一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本(在发送超时重传时进行使用)，只有在收到相应的确认之后才能暂时清除暂时保留的分组副本。
• 分组和确认分组都必须进行编号，这样才能明确是哪一个发送出去的分组收到了确认，而哪一个分组还没有收到确认。
• 超时时间的设置，重传时间应当比在分组传输的平均往返时间要更长一些，不能太长，通信效率就会很低，太短就会产生很多不必要的重传。

在传输信息的过程中还有两种情况值得我们注意:

• 确认丢失

上面的出错情况是出在发送方发给接收方的过程，这种情况是接收方在传输给发送方刚确认的时候发生，A在指定的时间内没有收到M1确认，也没有办法确认是自己发的分组出错、还是丢失，或者B发送的确认丢失了。因此A在超时器到期之后就会再传输一次M1。

对于B来说此时就应该采取两个动作:

• 丢弃这个重复的分组M1，不向上层交付
• 向A发送确认。不能认为已经发送过确认就不再发送，因为A之所以重传M1就说明A没有收到确认。

• 确认迟到

  B发送给A对M1的确认迟到了，但B会再发一次，在这种情况下A会收到重复的确认，对重复的确认处理很简单: 收下后就丢弃。B仍然会收到重复的M1，并且重传确认分组。

通常情况下A最终总是可以收到对所有发出分组的确认，如果A不断重传分组但是总是收不到确认，那就是说明通信线路太差，不能进行通信。使用上述确认和重传机制，我们就可以在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。

TCP并未采用停止等待协议，因为信道的利用率太低了，我们会在后面的文章，做详细的介绍。

流量控制

一般来说，我们总是希望数据传输得更快一些，但如果发送方把数据发送得过快，接收方就可能接收不及，写到这里我突然想起了打球，脑子里出现的场景是，两个人干活，一个人将运输物品给另一人，我们将其命名为A和B，刚开始是A一个一个的发送, A如果加大速度，这个物品B接收不及，就可能掉在地上。为了避免这种情况，TCP引入了流量控制，所谓流量控制就是让发送方的发送频率不要太快，要让接收方来得及接收。

拥塞控制

过年来回上海，我问司机师傅什么时候能到我住的地方，司机说现在上班的人没回来，开的快。 事实上在网络中也会有这样的情况，一般来说计算机网络都处在一个共享的环境，如果说某时刻发送消息的比较多，就像是马路上有很多车，这种情况我们称之为网络拥堵，如果继续发送大量数据包，就可能会导致数据包延时、丢失等，这时TCP就会重传数据，但是一旦从重传救护导致网络的负担更重，于是乎导致更大的延迟以及更多的丢包，这就会进入恶性循环不断地放大。

所以TCP不能忽略网络上发生的事，它被设计成一个无私的协议，当网络发送拥塞时，TCP会降低发送的数据量。于是就有了拥塞控制，控制的目的就是避免发送方的数据填满整个网络。

写在最后

本位大致介绍了传输层协议要解决的问题，以及传输层的一个重要协议TCP协议的大致组成，希望能从宏观上对TCP协议有一个大致的认识，没有选择从高频面试题三次握手出发介绍，先整体再局部，这样可以让我们有一条主线，不至于迷失在细节中。这个系列的文章也有实习面试的缘故，我记得还是蛮清楚的，当时面试官出题，我答的不好，后面其实打算重学一下，算是再回应。其实实习的时候有很多让我印象很深的问题，大致都通过这些年的学习找到了答案，目前还差一个编译原理相关的系列还没开始，这算是旧坑未填完，又挖新坑了。

参考资料

• 能不能通俗讲一讲数据链路层到底有什么用？知乎答主 https://www.zhihu.com/questio...
• 30张图解： TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制发愁 https://zhuanlan.zhihu.com/p/...
• 《 深入理解计算机系统》 第三版
• tcp的伯克利实现与当今的tcp实现差距有多大？ https://www.zhihu.com/questio...