28張圖說清楚TCP速度

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TCP是有點(diǎn)感覺了。

一直想找個時間來分享下TCP相關(guān)的知識，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：兩臺主機(jī)之間的通信。這個時候只需要一條網(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電腦連接，因此我們可以使用交換機(jī)把多個電腦連接起來，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）。在這個網(wǎng)絡(luò)中，我們需要標(biāo)識每個機(jī)器，這樣才可以指定要和哪個機(jī)器通信。這個標(biāo)識就是硬件地址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，只需要知道他的硬件地址，交換機(jī)就會把我們的消息發(fā)送到對應(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，這個時候就需要用到路由器來連接兩個局域網(wǎng)：

但是如果我們還是使用硬件地址來作為通信對象的唯一標(biāo)識，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，一個網(wǎng)絡(luò)對象可能會頻繁更換設(shè)備，這個時候硬件地址表維護(hù)起來更加復(fù)雜。這里使用了一個新的地址來標(biāo)記一個網(wǎng)絡(luò)對象：IP地址。

通過一個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）

郵局會幫我把信運(yùn)輸?shù)缴虾Ｊ挟?dāng)?shù)剜]局（信息會經(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臀野研沤唤o朋友A（局域網(wǎng)內(nèi)通信）

因此，這里IP地址就是一個網(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?。在局域網(wǎng)中，就可以動態(tài)維護(hù)一個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)送到對應(yīng)的主機(jī)。

一個主機(jī)有多個進(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)同時和兩個不同機(jī)器進(jìn)行通信。那么當(dāng)我的手機(jī)收到數(shù)據(jù)時，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。

最后對計網(wǎng)分層進(jìn)行小結(jié)：

最底層物理層，負(fù)責(zé)兩個機(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。

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地址是一個主機(jī)邏輯地址，而在運(yùn)輸層中，socket是一個進(jìn)程的邏輯地址；當(dāng)然，一個進(jìn)程可以擁有多個socket。應(yīng)用進(jìn)程可以通過監(jiān)聽socket，來獲取這個socket接受到的消息。

socket并不是一個實(shí)實(shí)在在的東西，而是運(yùn)輸層抽象出來的一個對象。運(yùn)輸層增加了端口這個概念，來區(qū)分不同的socket。端口可以理解為一個主機(jī)上有很多的網(wǎng)絡(luò)通信口，每個端口都有一個端口號，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)端口號來定義一個socket；在TCP中使用目標(biāo)IP+目標(biāo)端口號+源IP+源端口號來定義一個socket。我們只需要在運(yùn)輸層報文的頭部附加上這些信息，目標(biāo)主機(jī)就會知道我們要發(fā)送給哪個socket，對應(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在后面也會總結(jié)到。

/ TCP協(xié)議首部 /

TCP協(xié)議，表現(xiàn)在報文上，就是會在應(yīng)用層傳輸下來的數(shù)據(jù)前附加上一個TCP首部，這個首部附加了TCP信息，先來整體看一下這個首部的結(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)看成一個字節(jié) 流，給他們標(biāo)上序號之后分部分發(fā)送。這就是TCP的面向字節(jié)流特性：

TCP會以流的形式從應(yīng)用層讀取數(shù)據(jù)并存放在自己的發(fā)送緩存區(qū)中，同時為這些字節(jié)標(biāo)上序號；

TCP會從發(fā)送方緩沖區(qū)選擇適量的字節(jié)組成TCP報文，通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給目標(biāo)；

目標(biāo)會讀取字節(jié)并存放在自己的接收方緩沖區(qū)中，并在合適的時候交付給應(yīng)用層；

面向字節(jié)流的好處是無需一次存儲過大的數(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)送一個音頻文件和一個文本文件，對于TCP來說就是一串字節(jié)流，沒有意義可言，這會導(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：

對于應(yīng)用層來說，他就是一個可靠傳輸?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)計會更加復(fù)雜、效率會隨之降低。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员ＷC放在運(yùn)輸層，會更加合適。

可靠傳輸原理的重點(diǎn)總結(jié)一下有：滑動窗口、超時重傳、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ack字段，當(dāng)他設(shè)置為1的時候，表示這個報文是一個確認(rèn)收到報文。

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。解決這個問題的方法是：超時重傳。當(dāng)機(jī)器A發(fā)出一個數(shù)據(jù)包時便開始計時，時間到還沒收到確認(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)中待的時間比較久，這個時候機(jī)器B會受到兩個數(shù)據(jù)包，那么機(jī)器B是如何辨別這兩個數(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。這樣接收方就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的字節(jié)編號，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首部有兩個字段：序號和確認(rèn)號，他們表示發(fā)送方數(shù)據(jù)第一個字節(jié)的編號，和接收方期待的下一份數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的編號。前面講到TCP是面向字節(jié)流，但是他并不是一個字節(jié)一個字節(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，但有一個致命缺點(diǎn)：效率太低。發(fā)送方發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之后便進(jìn)入等待，這個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，整個窗口會往前移動，直到發(fā)送完成所有的數(shù)據(jù)。

在TCP的首部有一個窗口大小字段，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)報文，因?yàn)槊恳粋€發(fā)送數(shù)據(jù)包，必須得有一個確認(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，直接一個超時重傳就解決了。但，連續(xù)ARQ中不太一樣。例如：接收方收到了 123 567，六個字節(jié)，編號為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)送方會進(jìn)行重傳。這就是GBN（go-back-n）思路。

但是我們會發(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報文的選項(xiàng)字段，可以設(shè)置已經(jīng)收到的報文段，每一個報文段需要兩個邊界來進(jìn)行確定。這樣發(fā)送方，就可以根據(jù)這個選項(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)行一個小結(jié)：

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

通過超時重傳的方式，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：

高速公路同一時間可通行的汽車數(shù)量是一定的，當(dāng)節(jié)假日時，就會發(fā)生嚴(yán)重的堵車。在TCP中，數(shù)據(jù)包超時，會進(jìn)行重傳，也就是會進(jìn)來更多的汽車，這時候更堵，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東西，流量控制是擁塞控制的手段：為了避免擁塞，必須對流量進(jìn)行控制。擁塞控制目的是：限制每個主機(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，限制車牌號出行是一個道理。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)是滑動窗口，所以擁塞控制最終也是通過限制發(fā)送方的滑動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?a target="_blank">處理器處理速度等等。提升硬件能力（把4車道改成8車道）是其中一個方法，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：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）。

最開始的時候，會把窗口設(shè)置一個較小的值，然后每輪變?yōu)樵瓉淼膬杀?。這是慢開始。

當(dāng)窗口值到達(dá)ssthresh值，這個值是需要通過實(shí)時網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置的一個窗口限制值，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，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候，告知發(fā)送方我快滿了，而不是等到出現(xiàn)了超時再進(jìn)行處理，這是主動隊(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記錄。TCP是一個全雙工通信，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通信雙方需要為對方準(zhǔn)備一個接收緩沖區(qū)可以接收對方的數(shù)據(jù)、記住對方的socket知道怎么發(fā)送數(shù)據(jù)、記住對方的緩沖區(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的每一個連接只能有兩個對象，也就是兩個socket，而不能有三個。所以socket的定義需要源IP、源端口號、目標(biāo)IP、目標(biāo)端口號四個關(guān)鍵因素，才不會發(fā)生混亂。

假如TCP和UDP一樣只采用目標(biāo)IP+目標(biāo)端口號來定義socket，那么就會出現(xiàn)多個發(fā)送方同時發(fā)送到同一個目標(biāo)socket的情況。這個時候TCP無法區(qū)分這些數(shù)據(jù)是否來自不同的發(fā)送方，就會導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤。

既然是連接，就有兩個關(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，然后記住對方的信息。所以雙方都需要發(fā)送彼此的信息給對方：

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，需要對方給予我們一個確認(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)，表示請求已經(jīng)發(fā)送正在等待回復(fù)；

機(jī)器B收到請求之后，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)，表示對方已發(fā)送完成且請求關(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ACK包，并進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)

向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，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）；

同時回復(fù)的ACK包可能丟失了，機(jī)器B會重傳FIN包；

如果此時機(jī)器A馬上關(guān)閉連接，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整、機(jī)器B無法釋放連接等問題。所以此時機(jī)器A需要等待2個報文生存最大時長，確保網(wǎng)絡(luò)中沒有任何遺留報文了，再關(guān)閉連接；

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

雙方之間4次互相發(fā)送報文來斷開連接的過程，就是四次揮手。

現(xiàn)在，對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。對于應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)，UDP只是附加一個首部就直接交給網(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)錯誤，例如某個1變成了0

長度：報文的長度

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

但，TCP的功能雖然多，但同時也是要付出相對應(yīng)的代價。例如面向連接的特性，在建立和斷開連接的時候會有開銷；擁塞控制的特性，會限制傳輸?shù)纳舷薜鹊取Ｏ旅鎭砹_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)，不需要為每個客戶創(chuàng)建緩存等；

分組首部字節(jié)少，開銷??；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，并不需要保證每個數(shù)據(jù)包都完整到達(dá)，允許一定的丟包率，這個時候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，所以可以同時對多個進(jìn)程進(jìn)行發(fā)送報文；

UDP適用場景

UDP適用于對傳輸模型需要應(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：視頻直播、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)的時候，并不是把整個數(shù)據(jù)包加個首部直接發(fā)送過去，而是會拆分成多個報文分開發(fā)送；那他這樣做原因是什么？

有讀者可能會想到：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。如果報文太長，那么極有可能在傳輸一般的時候突然中斷了，這個時候就要整個數(shù)據(jù)重傳，效率就降低了。把數(shù)據(jù)拆分成多個數(shù)據(jù)報，那么當(dāng)某個數(shù)據(jù)報丟失，只需要重傳該數(shù)據(jù)報即可。

那是不是拆分得越細(xì)越好？報文中數(shù)據(jù)字段長度太低，會使得首部的占比太大，這樣首部就會成為網(wǎng)絡(luò)傳輸最大的負(fù)擔(dān)了。例如1000字節(jié)，每個報文首部是40字節(jié)，如果拆分成10個報文，那么只需要傳輸400字節(jié)的首部；而如果拆分成1000個，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，切割成一份份報文，然后發(fā)送給目標(biāo)對象。而如果應(yīng)用層傳輸下來的是兩個數(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只知道接收到一個流，并把流拆分成4段進(jìn)行發(fā)送

中間第二個報文的數(shù)據(jù)就出現(xiàn)兩個文件的數(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)拆分成正確的兩個文件，這就是拆包

可以進(jìn)行廣播；UDP并不是面向連接的，所以可以同時對多個進(jìn)程進(jìn)行發(fā)送報文；

粘包與拆包都是應(yīng)用層需要解決的問題，可以在每個文件的最后附加上一些特殊的字節(jié)，如換行符；或者控制每個報文只包含一個文件的數(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)可能會被惡意的人利用，對服務(wù)器進(jìn)行攻擊。

前面我們知道，當(dāng)我們向一個主機(jī)發(fā)送syn包請求創(chuàng)建連接時，服務(wù)器會為我們創(chuàng)建緩沖區(qū)等，然后向我們返回syn+ack報文；如果我們偽造IP和端口，向一個服務(wù)器進(jìn)行海量的請求，會使得服務(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)器的每一次請求都需要創(chuàng)建一個TCP連接，服務(wù)器返回數(shù)據(jù)之后就會關(guān)閉連接；如果在短時間內(nèi)有大量的請求，那么頻繁創(chuàng)建TCP連接關(guān)閉TCP連接是一個很浪費(fèi)資源的行為。所以我們可以讓TCP連接不要關(guān)閉，在這個期間進(jìn)行請求，提高效率。

需要注意長連接維持時間、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)用到的時候，對這些知識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，會對這些知識有越來越深刻的認(rèn)識。有那么幾個瞬間覺得：哦原來那個東西是這樣運(yùn)用，那個東西是這樣的啊，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，會有一個頓悟感，會瞬間收獲很多。

審核編輯 ：李倩