0.关于TCP协议的一些总结

　　接触unix网络编程一年多了，偶尔用户态进程表现出一些不能理解的现象，因此将《TCP/IP协议卷1》TCP协议相关的章节通读了一遍，总结了一下相关的知识点。

1.TCP数据报格式

　　TCP封装在IP数据报中，如下：

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　　|----IP首部(20字节)----||----TCP首部（20字节）||----TCP选项----||----TCP数据----|

　　TCP数据包首部的格式如下：

　　|--------16位源端口号---------------||--------------16位目的端口号--------------|

　　|--------------------------------32位序号---------------------------------------|

　　|--------------------------------32位确认序号-----------------------------------|

　　|-4位首部长度-||-保留6位-||-TCPflag-||------------16位窗口大小------------------|

　　|-----------16位校验和--------------||----------------16位紧急指针--------------|

　　|-----------------------------------TCP选项-------------------------------------|

　　|-----------------------------------TCP数据-------------------------------------|

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.TCP报头结构　　　　　　　　　　　　　　

2.TCP建立连接和断开连接

　　tcp连接的建立需要经过三次握手：

1.客户--SYN j-->服务器，客户状态：主动打开SYN_SENT,服务器状态：SYN_RCVD。

2.服务器--SYN k,ack j+1-->客户，客户状态：ESTABLISHED,服务器状态：SYN_RCVD。

3.客户--ack k+1-->服务器， 客户状态：ESTABLISHED,服务器状态：ESTABLISHED。

　　tcp连接终止需要经过四次握手：

1.客户--FIN m-->服务器，客户状态：FIN_WAIT_1,服务器状态：CLOSE_WAIT。

2.服务器--ack m+1-->客户，客户状态：FIN_WAIT_2,服务器状态：CLOSE_WAIT。

3.服务器--FIN n-->客户， 客户状态：TIME_WAIT,服务器状态：LAST_ACK。

4.客户--ack n+1-->服务器，客户状态:TIME_WAIT或closed，服务器状态：closed。

　　主动关闭的TCP一端会经历TIME_WAIT状态，从TIME_WAIT状态到closed状态经历2倍MSL的时间。MSL：报文最大生存时间，它是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。

　　另外TCP头部的 flags包括{S-SYN、F-FIN、R-RST、P-PSH、.-其他}，SYN是同步序号，FIN是发送方完成数据发送，RST复位连接，PSH尽可能快的将数据送往接收进程，. 以上四个标志比特均为0。

3.呼入连接请求队列

　　等待连接请求的一端有一个固定长度的连接队列，该队列中的连接已经被TCP接受，但还没有被应用层接受。

区分：TCP接受一个连接是将其放入连接请求队列，而应用层接受连接是将其从该队列中移除。

4.交互数据流和nagle算法

　　交互数据总是以小于报文长度的分组发送。广域网环境，大量小分组的传输会导致网络拥塞，受延时的确认和nagle算法用来减少广域网络传输的小分组的数目。

　　受延时的确认：TCP接收端接收到数据时并不立即发送ACK；相反，它推迟发送，以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送。大多数实现采用时延为200ms。受时延的确认在接收端减少网络传输小分组的数目。

　　nagle算法:TCP连接上的发送方最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组，TCP发送方收集这些少量的分组，并在确认到来时以一个分组的方式发送出去。nagle算法在发送端减少网络上小分组传输的数量。

对于交互用户而言，nagle算法会产生明显的时延。

5.滑动窗口协议

　　 滑动窗口协议是TCP流量控制的一种方式，与之相对的是停止等待协议(TFTP使用)。滑动窗口协议允许发送端在停止等待确认前，可以发送多个分组，与停止等待协议相比，滑动窗口协议加速了数据的传输，接收方看到的滑动窗口结构如图2所示。

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|----接收方通告，提供的窗口-----|

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|-可用的窗口-|

|-----1------2-----3-----4------5-----6-----7------8-----9-----10------11----.....

　　  |-发送被确认-|     |-发送未确认-|     |-能够发送的-|     |-不能发送

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2.滑动窗口接口　　　

　　发送方根据接收方通告的窗口大小，计算可用的窗口大小，该窗口表明多少数据可以立即被发送出去。随着分组的发送以及被确认，窗口的两个边沿会不断右移：

　　1.窗口左边右移，窗口合拢，导致原因：数据被发送并且被确认时。

　　2.窗口右边右移，窗口张开，导致原因：接收方接收进程读取了接收缓冲区的数据，释放了接收缓存，并且发送了新的窗口通告给发送方。

　　从上面可以看出，导致滑动窗口张开是接收方产生新的窗口通告，因此滑动窗口是接收方流量控制的措施。

6.紧急方式

　　通过设置TCP首部的两个字段来发出紧急通知：从一端到另一端的紧急数据已经被放置在数据流中。URG比特被置1，并且16比特的紧急指针被置为一个正的偏移量。可以利用tcp的紧急方式实现tcp通信双方的心搏。

7.带宽时延积

　　带宽时延积用来描述一个tcp管道的容量：

　　　　capcity(bit) = bandwidth(b/s) * round-trip time(s)

只有当管道被填满时，才能达到最大的吞吐量。对于高延迟和大带宽的肥胖管道，增加tcp发送和接收缓冲区，才能填满tcp管道，达到最大的吞吐量。

7.慢启动和拥塞避免算法

　　慢启动：为发送方tcp增加了另外一个窗口-拥塞窗口，cwnd。当tcp连接建立时，拥塞窗口大小被初始化为一个报文段长度，每收到一个ack，cwnd就增加一个报文段的长度，发送方取拥塞窗口与通告窗口的最小值作为发送上线。拥塞窗口cwnd是发送方的流量控制方式，另外cwnd在开始阶段指数方式增长，慢启动是在一个连接上发起数据流的方法。

　　拥塞避免算法是一种处理分组丢失的方法，与慢启动是不同，当处于拥塞避免阶段时每收到一个ack，cwnd增加cwnd/1,拥塞避免阶段cwnd呈线性方式增长。

　　慢启动算法和拥塞避免算法通常一起工作，这两个算法需要对每一个连接维护两个变量：cwnd和慢启动门限ssthresh。大致的工作过程：

　　1.对于一个给定的连接，初始cwnd为1个报文段，ssthresh为65535个字节。首先是当前窗口没有达到65535时，采用慢启动的方式进行分组的传输。

　　2.当拥塞发生时（超时或者收到重复的确认），ssthresh被设置成当前窗口大小的一半。此外，如果是阻塞引起的超时，则cwnd被设置成1个报文段。

　　3.当有新的ack到达时，就增加cwnd，增加的方法依赖于是否是慢启动或者拥塞避免。如果cwnd小于或等于ssthresh，则执行慢启动，否则拥塞避免。慢启动时，指数方式增加cwnd，拥塞避免时，线性方式增加cwnd。

　　关于分组的传输，还存在快速重传和快速恢复的算法。所谓的快速重传，即当连续收到3个重复的ack时，就确认对应分组丢失，不等待超时定时器溢出，而直接重传对应分组。当确认分组丢失，执行快速重传后，不是去执行慢启动将cwnd的值置为1，而是执行拥塞避免算法，这就是快速恢复算法。

8.TCP坚持定时器和糊涂窗口综合症

　　当发送方tcp接收到窗口大小为0的窗口通告时，发送方将停止发送数据，并且设定一个坚持定时器来周期性的像接受发查询，以便发现窗口是否已经增大，这些从发送方发出的报文段成为窗口探查。坚持定时器使用tcp 500ms定时器，并采用了tcp指数退避，但是坚持定时器总是在5~60S之间。窗口探查会一直持续，直到窗口被打开，或者tcp连接被关闭。

　　糊涂窗口综合征：少量的数据将通过连接进行交换，而不是满长度的报文段。糊涂窗口综合征，降低了tcp的有效吞吐量。避免糊涂窗口综合征，可以在发送方或者接收方的任何一方采取措施：1.接收方不通告小窗口，2.发送方才一般情形下避免发送小的报文段。

9.keepalive定时器

　　如果一个给定的tcp连接在两个小时之内没有任何动作，则服务器就向客户发送一个探查报文段。客户可能处于一下状态：

　　1.客户主机依然正常运行，并从服务器可达：客户的tcp响应正常。

　　2.客户主机已经崩溃，并且关闭或者正在重新启动：服务器探查报文段收不到响应，75s后超时，一直持续发送共10个探查，间隔75s，如果仍然没有收到响应，则认为客户主机已经关闭。

　　3.客户主机崩溃并已经重新启动：服务器将收到一个复位，使得服务器终止这个连接。

　　4.客户机正常运行，但从服务器不可达：和1中情形类似。