經過故事引伸網絡協議TCP

講一個故事。

三次握手

 long time ago，通訊並不發達，兩國之間的貿易卻絡繹不絕。但碼頭始終有限，若是貿然的把貨物運過去，若是這時候有別的商家已經佔領了碼頭。這樣不得不排隊了。後來，他們訓練了一種海鳥，運送以前，先用海鳥報個信： 

1. 五弟，我要發一些貨過去。
2. 收到，老地方，不見不散。

 一開始這個方式挺好用的，直到有一年夏天，五弟找上門來了：我等了你一天，你的貨呢？我交了錢借用了一天的碼頭，都白交了。二哥：我也着急呀，你一直沒回信，我都等了兩天，我不知道咋肥四，就沒發了。應該是回信的那隻鳥，被大風颳走了。最近海上天氣很差，想必我放的那隻鳥也是歷經千辛萬苦纔去到你那。這樣吧，五弟，我改一下流程吧：

1. 五弟，我要發一些貨過去。
2. 收到，老地方，不見不散。
3. 五弟，好的，老地方。

五弟琢磨了一下，前面的鳥可以一來一回，二哥能看出海上沒有危險。我收到二哥的消息後也能看出海上無風雨，這時我再去借碼頭，也能節省一些時間，妙，實在妙，仍是二哥聰明，只是二哥要比我多訓練一倍的鳥。五弟哪裏的話，浪費這點資源算什麼呢。

三次握手就這樣誕生了。

流量控制

過了一些時日，五弟又來找二哥商量了：碼頭上的倉庫空間，人力始終有限，二哥一次派了這麼多艘船來，五弟實在忙不過來，船都堵在渡口，人家的船進不來，出不去啊。爲了此事二哥想了一宿，找來了五弟商量：五弟呀，這個確實是個頭疼的問題呀。

最簡單的辦法就是一開始你就告訴我你能處理多少貨，我就派一批船過去。等你處理完了通知我，我再派一批過去。可是這種方式應變能力過低了，假設港口一開始沒這麼堵，可是可能還有一些商家在海上來往，結果我這一批派過去，就致使堵塞擁擠了。這個應變能力能理太差了，要提升這個應變能力，就不能派太多的船涌進港口，只能一小批，一小批的派了。

這樣你每次收到貨以後，就讓回來的船告訴我你那裏剩餘多少空間，我好安排下一趟船隻。五弟撓撓頭，不明白。二哥敲了下這木魚腦殼道：假設咱們要運送720的貨，你碼頭的倉庫最多能存360的貨物，我每次派100的貨物，固然個人每艘船隻能載重是10(MTU 最大傳輸單元限制)。

• 第一趟，我送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩260的空間。
  
• 第二趟，我送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩160的空間。
  
• 第三趟，我送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩60的空間。
  
• 第四趟，我送過去60，我須要派6艘過去，這時候倉庫已滿，你開始讓工人搬運，等你搬運好了，就通知我。
• 第五趟，收到五弟那邊的通知，我開始送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩260的空間。
• 第六趟，我送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩160的空間。
  
• 第七趟，我送過去100，我須要派10艘過去，你讓返回的船老大告訴我你那裏還剩60的空間。
  
• 第八趟，我送過去60，我須要派6艘過去，這時候貨就發完了，圓滿大吉。

藉助窗口解決了流量控制的問題。

丟包重傳

沒過多久，五弟又來找二哥商量了：我收到的貨物缺斤少兩的，對不上數呀，我猜呀，海上風雲莫測，可能有些船隻失蹤了，這可咋辦呀。二哥想了想，能咋辦，重發唄。這樣，我給每個船隻編上號，到了一段時間，沒回來的船隻，我再重發那批貨物吧。至於間隔多久才決定重發，這個很是重要。

• 設長了，重發慢了，丟了老半天才發過去，效率過低了，也讓五弟等過久了。
• 設短了，更恐怖，可能會致使沒有丟的也重發，這樣就重發多了，更多的船堵在海上，許久不能到達返回，致使更多的超時，更多的重發。

再加上海上風雲莫測，每次來回的時間不是固定的。只能動態的估算這個值了。這樣，每批次的船隻一來一回算一個單位(RTT)。而後根據這個RTT的時間計算超時時間(RTO)。當發生了重發，就會將超時時間加倍。防止太頻繁重傳致使更加擁擠。

重傳歧異

可是這樣的會有一個問題，假設7號船一直沒回來，這時候再派一個7號船過去，許久後，終於回來了，那麼這艘船是第一艘的仍是重發的那艘呢？忽略說能認出船老大的陳獨秀同窗(摳鼻)。

• 若是回來的船的是重發的那艘，假設是按第一艘來算，那麼間隔時間算長了。
• 若是回來的船的是第一艘的，卻又按照重發的那艘來算，間隔時間又算短了。
  

這是一個苦差事，具體怎麼算，仍是請位大師來算吧。此事算了了。

慢啓動

五弟又過了找二哥了：運720的貨都跑了8趟了，那送7200的貨那還不得九九八十一趟啊。這效率不行啊，二哥道：你想到的我也想到了,一開始我並不知道海上的擁擠狀況，因此不敢派太多的船，我想了一個辦法，先發的慢一點，探測一下狀況，而後再慢慢提速。假設我一開始派n艘船。

• 先假定cwnd = 1，表示我這個批次派 cwnd*n 艘船。
• 每當有一艘船回來，cwnd++，線性上升。
• 每當過一個RTT，也就是當前批次的船回來了，cwnd = cwnd *2，指數上升。

這樣，就能夠解決效率低的問題了。

擁塞避免

固然，不可能一直是增長。這樣擁堵只是時間問題。因此須要一個閾值。

• 當 cwnd < 閾值，使用慢啓動算法
• 當cwnd >= 閾值，使用擁塞避免算法

擁塞避免算法的思路就是下降加速度，讓它緩慢的增加。

• 每當有一艘船回來，cwnd = 1/cwnd
• 每當過一個RTT，cwnd++

擁塞處理

以上都是正常的狀況，當發生了重傳，說明發生了擁擠，就不能再發這麼多船了，這時候cwnd減半，從新進入慢啓動。

好了，故事就講到這裏了。

當出現了RTO超時重傳，由於ack都收不到了，因此它的處理會比較猛烈：

• 將門限ssthresh的值設爲當前cwnd值的一半，也就是閾值。之因此減半，是爲了公平性，騰出空間給其餘新連接保證帶寬。
• cwnd設爲1。
• 從新進入慢啓動。

cwnd決定了發送窗口的大小，若是隻是出現了輕度的擁堵，就直接猛烈縮小窗口，進入慢啓動後，cwnd恢復的很慢，這顯然得不償失，因此須要一種主動觸發重傳的機制，就有了後來的快速重傳和快速恢復。

快速重傳

僅僅只是靠超時重傳，並不能發生了包丟失，卻要等到超時纔開始重傳，這顯然效率不夠，因此須要找到重傳的規律。雖然咱們發的包是有序的，可是IP包是無序的，因此會致使到達的包出現無序的狀況。先來看下下面一組數據。

• 1，2，3，4        已發送，已確認到達
• 5，6，7，8，     已發送，未確到達
• 9，10，11 ，12    在發送緩衝區等待發送，滑動窗口已經沒有空間了。

要保證可靠性，就必需要保證順序和完整，來看看事故發生現場。

• 5，6，7，8。ack=9 , 由於Seq=5，length = 4，ack = seq+lenght，window size 剩餘 4。不會每個都返回ack，這樣將會消耗大量的帶寬。
• 6，5，7，8。ack=5，ack=5，ack=9，6到達的時候，發現順序不對，則會發出ack=5，期待客戶端下次發送seq=5的包，由於尚未達到三次因此客戶端不會理會這個信息，果真後面就如期而至。
•  6，7，8，5。ack=5，ack=5，ack=5，ack=5，ack=9。重複三次了，因此後面重發了5。

從上面的狀況能夠看出不論是亂序仍是丟包，都會收到重複的ack的。在快速重傳算法中，當收到三次重複的ack，就認定它是丟包了。但實際上，三次重複ack並不能判斷出是丟包或亂序，只能說出現了問題，它只是在效率和過早重傳之間的一個權衡。

• 若是兩次重複ack就發送可能會由於頻繁發送致使擁擠堵塞。
  
• 若是太晚發送效率就跟不上。
• 若是三次接收端都能收到重複ack，說明網絡不會太差。

收到了三次重複的ack，進入快速重傳須要作幾件事情：

• ssthresh =cwnd/2
  
• cwnd=ssthresh
  
• 這時候由於cwnd等於閾值，因此從新進入擁塞避免階段

因爲快速重傳有多是由於順序的問題而誤判，或者只是輕微的擁堵，致使進入了擁塞避免階段，這時候爲了達到快速恢的目的，將會中止發送後面的數據，只發送重傳數據，爲了提升恢復效率，將會使用快速恢算法。

快速恢復

爲了保證快速重傳效率，進入快速恢復階段會有如下幾個步驟。

• 因爲在上一個階段，cwnd和ssthresh變成了，ssthresh =cwnd/2，cwnd=ssthresh+3，之因此加3，是由於剛剛收到了3個重複的ack。
• 當再次收到重複的ack，cwnd = cwnd+1。
• 當收到新的ack，非重複的ack，cwnd=ssthresh，退出快速恢復階段，進入擁塞避免狀態。

總的來講就是騰出空間，馬不停蹄。

TCP 重傳機制

在上面的重傳原理介紹中，咱們還忽視了一個問題，例如客戶端在發送1，2，3，4，5，6，7包時，2，4，6，包丟了，這種狀況仍是比較常見的，這時候就會面臨一個問題，究竟是一個一個重傳，仍是將2後面的包都重發過去。

• 停等協議。這時候接收方和發送方的窗口大小都是1，這樣每次只能發送一個，也就是一個一個重傳。缺點是效率過低。
• 後退n幀協議。使用這個協議，爲了保證接收方有足夠的空間，2以後的數據都要丟棄，而後發送方將2後面的數據都所有發送。缺點是須要有足夠大的緩存空間。

  後退n幀協議雖然效率高，可是遇到大場面，在網絡比較差或者帶寬比較低的狀況，若是仍然使用這個協議會致使狀況更加惡劣，這種狀況停等協議雖然效率比較低，可是仍是比較適用的。

窗口的滑動

TCP提供體積可變的滑動窗口機制，支持端對端的流量控制：

• TCP鏈接階段，雙方協商窗口的尺寸，同時接收方預留數據緩存區
• 發送方根據協商的結果，發送符合窗口的尺寸的字節流，而後等待ack確認。
• 發送方根據返回的確認信息，調整窗口的尺寸，調整包括，若是出現發送擁塞，發送窗口縮小原來的一半，同時將超時重傳時間間隔擴大一倍，防止發生重傳風暴。

在傳輸的過程當中，窗口是滑動的

看下圖5-15，TCP鏈接階段，雙方協商窗口的尺寸，同時接收方預留數據緩存區

看圖5-16，假設窗口的閾值是一半，因此A發送11個幀，發送後，等待確認，發送窗口位置不變。這時候發生了丟包，32，33沒有收到。雖然31已經收到了，窗口理論上能夠往右移動一個位置，可是爲了節省寬帶，不會每個幀都回復ack，而是累積幾個以後在發出，因此31不會回覆ack，窗口就卡在這了。

看圖5-17，這時候30-33的已經確認了，因此窗口能夠往右滑動三幀。37，38，40也許延遲還未收到。

看圖5-18，在重傳機制生效以前，A繼續發送了後面的數據，這時候窗口已經所有用完，A會中止發送數據，等待B的窗口可用，B處理完以後會等待A發送數據，這樣就形成了雙方在等待，爲了解決這個問題，TCP使用了Zero Window Probe技術，縮寫ZWP。在窗口尺寸變成0以後，發送端會發送ZWP包詢問接收端是否有足夠的空間能夠發送數據了，TCP使用持續計時器，若是結果仍然爲0，則重置定時器繼續等待。

丟包的緣由

• 接收方緩存區滿了
• 信號差，波形失真
• 包的校檢失敗
• 網絡擁塞

亂序的緣由

• IP包是無序的
• 中間件的內部調度，如路由器，路由器裏面是有處理器，有些路由器使用多個流量處理單元，致使不一樣包在不一樣的處理單元，最後到達時間不同而發生了亂序
• 多路複用，統一連接，不一樣路徑到達

TCP包頭格式

標誌位

• SYN 用於鏈接請求時的標誌，SYN = 1
• ACK 用於確認成功接收數據，ACK = 1
• FIN  用於鏈接釋放的標誌，FIN= 1
• RST 用於重置一個異常的鏈接，接收端 告知 發送端 此鏈接有問題

• PSH 用於通知接收端將緩存區的數據提交給上層，即便沒有滿
• URG 用於通知接收端當前爲緊急數據，將這個數據直接提交給上層，它不通過緩存區，後面的緊急指針表示緊急數據在當前數據的偏移位置

三次握手

• 首先整個過程Seq都是動態生成的惟一序列號，不管誰發給誰，爲了防止新鏈接和舊鏈接竄了。
  
• ACK = 收到的Seq + 1
• SYN = 1

鏈接過程的狀態

• 客戶端SYN_SENT。客戶端發送 SYN = 1，Seq = X 將狀態設置爲 SYN_SENT
  
• 服務端SYN_RCVD。半鏈接狀態，服務器收到後將狀態設置爲SYN_RCVD，並返回 SYN = 1，ACK= 1，Seq = Y，Ack = X + 1
• 客戶端ESTABLISHED。客戶端收到後，狀態設爲ESTABLISHED，表示鏈接已創建。併發送ACK= Y + 1，Seq = Z
• 服務端ESTABLISHED。服務端收到後，狀態設爲ESTABLISHED，表示鏈接已創建。
  

服務器維護了一個半鏈接的隊列，該隊列爲每一個客戶端的SYN包（SYN=X）開設一個條目，表示服務器已經收到SYN包，並向客戶端發出確認，正在等待客戶端的確認包。當服務器收到客戶端的確認包時，刪除該條目，該鏈接進入ESTABLISHED狀態。

四次揮手

1. FIN-WAIT-1。客戶端中止發送數據，FIN=1，Seq=X(前面已經傳送過來的數據最後一個字節的序號+1)，客戶端進入FIN-WAIT-1狀態。
2. CLOSE-WAIT。服務器發出Ack = X + 1，進入CLOSE-WAIT狀態，通知應用程序，由於服務器是被動收到通知，此時服務可能數據還沒發完，還要繼續發送。
3. FIN-WAIT-2。收到服務器的回覆，再次等待服務器的關閉通知。這時候服務器還可能發着數據給客戶端。
   
4. LASK-ACK。服務器終於把事情處理完了，能夠發出FIN = 1，Seq = Z，ACK = X + 1告知服務器斷開鏈接，進入最後確認狀態。
5. TIME-WAIT,收到服務器的關閉請求，客戶端回覆ACK = 1，Seq = X + 1，Ack = Z + 1，這時候客戶端不會立刻釋放鏈接，它會等待2MSL(報文最長存活時間)，防止這個消息服務器沒有收到，而這時服務器發出重傳信息，客戶端就能夠即時響應。
6. CLOSED，服務器收到消息後釋放鏈接，客戶端通過2MSL後也釋放鏈接。

數據是如何傳輸的

兩臺電腦之間通訊都須要把數字信號01轉化成電信號，再調製成電磁波(好比光)。電磁波自己沒法承載信息的，可是咱們能夠控制電磁波的變化(幅度AM，頻率FM，相位PM)，讓這些變化能夠表明0和1。也就是說在信號線中走的是電磁波，因此在佈線的時候要注意線與線之間的串擾。

電磁波有不少頻段好比2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz，在空氣中存在不少不一樣頻段的波，因此須要進行定寬調頻，也就是說肯定帶寬，而後再進行濾波，所謂的濾波就是經過濾波算法，好比卡爾曼濾波，根據截止頻率是否靠近特徵頻率以及衰減程度來分類的，最後轉換成01信號。帶寬又叫頻寬是指在固定的的時間可傳輸的資料數量，亦即在傳輸管道中能夠傳遞數據的能力。在數字設備中，頻寬一般以 bps表示，即每秒可傳輸之位數。

截止頻率

用來講明電路頻率特性指標的特殊頻率。當保持電路輸入信號的幅度不變，改變頻率使輸出信號降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時該頻率稱爲截止頻率。在高頻端和低頻端各有一個截止頻率，分別稱爲上截止頻率和下截止頻率。兩個截止頻率之間的頻率範圍稱爲通頻帶。

幀

將信號轉化成字節，再將字節組裝成幀。再以太網鏈路上的數據包被稱爲以太幀，在802.3標準理，規定了一個以太幀的數據部分(Playload)的最大長度是1500個字節(MTU)，另外，以太網幀最小長度爲64字節。