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传输层
- 负责数据能够从发送端传输接收端.
- 传输层定义了主机应用程序之间端到端的连通性。传输层中最为常见的两个协议分别是传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP
再谈端口号
- 端口号(Port)标识了一个主机上进行通信的不同的应用程序;
- 不是所有的进程都是要提供网络服务的
- 不使用进程PID作为端口号是为了将网络服务与进程解耦
- 一个进程可以bind多个端口号，但是一个端口号不可以被多个进程bind
- 0S底层是用哈希存放端口号与进程的关系的，key:存端口号，value:存对应的PCB结构体地址通过PCB就知道那个进程，内容要写到sockfd文件描述符对应的文件里面
在TCP/IP协议中, 用 “源IP”, “源端口号”, “目的IP”, “目的端口号”, “协议号” 这样一个五元组来标识一个通信(可以通过netstat -n查看);
端口号范围划分
- 0 - 1023: 知名端口号, HTTP, FTP, SSH等这些广为使用的应用层协议, 他们的端口号都是固定的.
- 1024 - 65535: 操作系统动态分配的端口号. 客户端程序的端口号, 就是由操作系统从这个范围分配的.
认识知名端口号
- ssh服务器, 使用22端口
- ftp服务器, 使用21端口
- telnet服务器, 使用23端口
- http服务器, 使用80端口
- https服务器, 使用443
注意:自己写一个程序使用端口号时, 要避开这些知名端口号.
执行下面的命令, 可以看到知名端口号: cat /etc/services
netstat
netstat是一个用来查看网络状态的重要工具.
- n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字
- l 仅列出有在 Listen (监听) 的服務状态
- p 显示建立相关链接的程序名
- t (tcp)仅显示tcp相关选项
- u (udp)仅显示udp相关选项
- a (all)显示所有选项，默认不显示LISTEN相关
pidof
在查看服务器的进程id时非常方便.
- pidof [进程名]
- 通过进程名, 查看进程id
UDP协议
UDP协议端格式
- 16位UDP长度, 表示整个数据报(UDP首部+UDP数据)的最大长度;
- 如果校验和出错, 就会直接丢弃;
UDP的特点
- 无连接: 知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接;
- 不可靠: 没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息;
- 面向数据报: 不能够灵活的控制读写数据的次数和数量;
面向数据报
应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并;
用UDP传输100个字节的数据:
- 如果发送端调用一次sendto, 发送100个字节, 那么接收端也必须调用对应的一次recvfrom, 接收100个字节; 而不能循环调用10次recvfrom, 每次接收10个字节;
UDP的缓冲区
- UDP没有真正意义上的 发送缓冲区. 调用sendto会直接交给内核, 由内核将数据传给网络层协议进行后续的传输动作;
- UDP具有接收缓冲区. 但是这个接收缓冲区不能保证收到的UDP报的顺序和发送UDP报的顺序一致; 如果缓冲区满了, 再到达的UDP数据就会被丢弃;
- UDP的socket既能读, 也能写, 是 全双工
UDP使用注意事项
- 我们注意到, UDP协议首部中有一个16位的最大长度. 也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K(包含UDP首部).
- 然而64K在当今的互联网环境下, 是一个非常小的数字.
- 如果我们需要传输的数据超过64K, 就需要在应用层手动的分包, 多次发送, 并在接收端手动拼装;
使用udp协议 的应用层协议
- NFS: 网络文件系统
- TFTP: 简单文件传输协议
- DHCP: 动态主机配置协议（上网时路由器会给我们分配一个ip地址，断开时会收回这个ip地址）
- BOOTP: 启动协议(用于无盘设备启动)
- DNS: 域名解析协议
其它
TCP协议
TCP全称为 "传输控制协议“ – 对数据的传输进行一个详细的控制
TCP协议段格式
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源/目的端口号: 表示数据是从哪个进程来, 到哪个进程去;
-
4位TCP报头长度: 表示该TCP头部有多少个32位bit(有多少个4字节); 所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
-
6位标志位:
URG: 紧急指针是否有效
ACK: 确认号是否有效
PSH: 提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
RST: 对方要求重新建立连接; 我们把携带RST标识的称为复位报文段
SYN: 请求建立连接; 我们把携带SYN标识的称为同步报文段 -
FIN: 通知对方, 本端要关闭了, 我们称携带FIN标识的为结束报文段
-
16位校验和: 发送端填充, CRC校验. 接收端校验不通过, 则认为数据有问题. 此处的检验和不光包含TCP首部, 也包含TCP数据部分.
-
16位紧急指针: 标识哪部分数据是紧急数据;
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40字节头部选项: 暂时忽略;
如何理解链接
如何理解三次握手
如何理解四次挥手
概念
TIME_WAIT/CLOSE_WAIT
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TCP策略
确认应答
每一个ACK都带有对应的确认序列号, 意思是告诉发送者, 我已经收到了哪些数据; 下一次你从哪里开始发.
超时重传
- 主机A发送数据给B之后, 可能因为网络拥堵等原因, 数据无法到达主机B;
- 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发
但是, 主机A未收到B发来的确认应答, 也可能是因为ACK丢失了;
- 因此主机B会收到很多重复数据. 那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包, 并且把重复的丢弃掉.这时候我们可以利用前面提到的序列号, 就可以很容易做到去重的效果.
如果超时的时间如何确定?
- 最理想的情况下, 找到一个最小的时间, 保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”.
- 但是这个时间的长短, 随着网络环境的不同, 是有差异的.
- 如果超时时间设的太长, 会影响整体的重传效率;
- 如果超时时间设的太短, 有可能会频繁发送重复的包;
TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信, 因此会动态计算这个最大超时时间. - Linux中(BSD Unix和Windows也是如此), 超时以500ms为一个单位进行控制, 每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍.
- 如果重发一次之后, 仍然得不到应答, 等待 2*500ms 后再进行重传.
- 如果仍然得不到应答, 等待 4*500ms 进行重传. 依次类推, 以指数形式递增.
- 累计到一定的重传次数, TCP认为网络或者对端主机出现异常, 强制关闭连接.
连接管理机制
在正常情况下, TCP要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接 – 看前面理解
服务端状态转化:
- [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态, 等待客户端连接;
- [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求(同步报文段), 就将该连接放入内核等待队列中, 并向客户端发送SYN确认报文
- [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文, 就进入ESTABLISHED状态, 可以进行读写数据了.
- [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接(调用close), 服务器会收到结束报文段, 服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT;
- [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据); 当服务器真正调用close关闭连接时, 会向客户端发送FIN, 此时服务器进入LAST_ACK状态, 等待最后一个ACK到来(这个ACK是客户端确认收到了FIN)
- [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK, 彻底关闭连接.
客户端状态转化: - [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect, 发送同步报文段;
- [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功, 则进入ESTABLISHED状态, 开始读写数据;
- [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时, 向服务器发送结束报文段, 同时进入 FIN_WAIT_1;
- [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认, 则进入FIN_WAIT_2, 开始等待服务器的结束报文段;
- [FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段, 进入TIME_WAIT, 并发出LAST_ACK;
- [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL(Max Segment Life, 报文最大生存时间)的时间, 才会进入CLOSED状态.
理解TIME_WAIT状态
滑动窗口
讨论了确认应答策略, 对每一个发送的数据段, 都要给一个ACK确认应答. 收到ACK后再发送下一个数据段.这样做有一个比较大的缺点, 就是性能较差. 尤其是数据往返的时间较长的时候；这样一发一收的方式性能较低, 那么我们一次发送多条数据, 就可以大大的提高性能(其实是将多个段的等待时间重叠在一起了).
窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值. 上图的窗口大小就是4000个字节(四个段).
发送前四个段的时候, 不需要等待任何ACK, 直接发送;
收到第一个ACK后, 滑动窗口向后移动, 继续发送第五个段的数据; 依次类推;
操作系统内核为了维护这个滑动窗口, 需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答; 只有确认应答过的数据, 才能从缓冲区删掉;
窗口越大, 则网络的吞吐率就越高;
那么如果出现了丢包, 如何进行重传? 这里分两种情况讨论.
情况一: 数据包已经抵达, ACK被丢了. --》 这种情况下, 部分ACK丢了并不要紧, 因为可以通过后续的ACK进行确认;
情况二: 数据包就直接丢了.
- 当某一段报文段丢失之后, 发送端会一直收到 1001 这样的ACK, 就像是在提醒发送端 "我想要的是 1001"一样;
- 如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答, 就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送;
- 这个时候接收端收到了 1001 之后, 再次返回的ACK就是7001了(因为2001 - 7000)接收端其实之前就已经收到了, 被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中;
- 这种机制被称为 “高速重发控制”(也叫 “快重传”).
深入理解：
流量控制
接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送,就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应.因此TCP支持根据接收端的处理能力, 来决定发送端的发送速度. 这个机制就叫做流量控。
- 接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段, 通过ACK端通知发送端;
- 窗口大小字段越大, 说明网络的吞吐量越高;
- 接收端一旦发现自己的缓冲区快满了, 就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端;
- 发送端接受到这个窗口之后, 就会减慢自己的发送速度;
- 如果接收端缓冲区满了, 就会将窗口置为0; 这时发送方不再发送数据, 但是需要定期发送一个窗口探测数据段, 使接收端把窗口大小告诉发送端.
接收端如何把窗口大小告诉发送端呢? 回忆我们的TCP首部中, 有一个16位窗口字段, 就是存放了窗口大小信息;
那么问题来了, 16位数字最大表示65535, 那么TCP窗口最大就是65535字节么?
实际上, TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M, 实际窗口大小是 窗口字段的值左移 M 位;
拥塞控制
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器, 能够高效可靠的发送大量的数据. 但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据, 仍
然可能引发问题.
因为网络上有很多的计算机, 可能当前的网络状态就已经比较拥堵. 在不清楚当前网络状态下, 贸然发送大量的数据,
是很有可能引起雪上加霜的
TCP引入 慢启动 机制, 先发少量的数据, 探探路, 摸清当前的网络拥堵状态, 再决定按照多大的速度传输数据;
- 此处引入一个概念程为拥塞窗口
- 发送开始的时候, 定义拥塞窗口大小为1;
- 每次收到一个ACK应答, 拥塞窗口加1;
- 每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口;
- 拥塞窗口增长速度, 是指数级别的. “慢启动” 只是指初使时慢, 但是增长速度非常快.
- 此处引入一个叫做慢启动的阈值
- 当拥塞窗口超过这个阈值的时候, 不再按照指数方式增长, 而是按照线性方式增长
- 当TCP开始启动的时候, 慢启动阈值等于窗口最大值;
- 在每次超时重发的时候, 慢启动阈值会变成原来的一半, 同时拥塞窗口置回1;
少量的丢包, 我们仅仅是触发超时重传; 大量的丢包, 我们就认为网络拥塞;
当TCP通信开始后, 网络吞吐量会逐渐上升; 随着网络发生拥堵, 吞吐量会立刻下降;
拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案.
延迟应答
如果接收数据的主机立刻返回ACK应答, 这时候返回的窗口可能比较小.
- 假设接收端缓冲区为1M. 一次收到了500K的数据; 如果立刻应答, 返回的窗口就是500K;
- 但实际上可能处理端处理的速度很快, 10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了;
- 在这种情况下, 接收端处理还远没有达到自己的极限, 即使窗口再放大一些, 也能处理过来;
- 如果接收端稍微等一会再应答, 比如等待200ms再应答, 那么这个时候返回的窗口大小就是1M;
要记得, 窗口越大, 网络吞吐量就越大, 传输效率就越高. 我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率;
那么所有的包都可以延迟应答么? 肯定也不是;
- 数量限制: 每隔N个包就应答一次;
- 时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
数量限制: 每隔N个包就应答一次;
时间限制: 超过最大延迟时间就应答一次;
综上:不给对方立即应答，而是等一等再应答，可以保证给对方同步–个较大的接受缓冲区剩余空间的大小
捎带应答
1、什么是捎带应答？
虽然有延迟应答，但是客户端和服务器在应用层还是还是”一发一收”，此时就会导致数据传输效率低下，捎带应答就是接收端在给发送端发送数据的时候，捎带着向发送端发去确认应答，应答的内容是接收端已经收到发送端发送的数据。
2、使用捎带应答之前
客户端：你好吗？
服务器：我收到你发的消息了（即：接收端的ACK应答）
服务器：我很好
3、使用捎带应答
客户端：你好吗？
服务器：我很好（接收端给发送端发送的数据），我也收到你发的消息了（即：接收端的ACK应答）
使用捎带应答后，ACK就可以搭顺风车了，在接收端给发送端发送数据的时候，ACK就可以捎带着给发送端发送过去。
面向字节流
创建一个TCP的socket, 同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区;
- 调用write时, 数据会先写入发送缓冲区中;
- 如果发送的字节数太长, 会被拆分成多个TCP的数据包发出;
- 如果发送的字节数太短, 就会先在缓冲区里等待, 等到缓冲区长度差不多了, 或者其他合适的时机发送出去;
- 接收数据的时候, 数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区;
- 然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据;
- 另一方面, TCP的一个连接, 既有发送缓冲区, 也有接收缓冲区, 那么对于这一个连接, 既可以读数据, 也可以写数据. 这个概念叫做 全双工
由于缓冲区的存在, TCP程序的读和写不需要一一匹配, 例如:
- 写100个字节数据时, 可以调用一次write写100个字节, 也可以调用100次write, 每次写一个字节;
- 读100个字节数据时, 也完全不需要考虑写的时候是怎么写的, 既可以一次read 100个字节, 也可以一次read一个字节, 重复100次;
问题
粘包问题
- 首先要明确, 粘包问题中的 “包” , 是指的应用层的数据包.
- 在TCP的协议头中, 没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段, 但是有一个序号这样的字段.
- 站在传输层的角度, TCP是一个一个报文过来的. 按照序号排好序放在缓冲区中.
- 站在应用层的角度, 看到的只是一串连续的字节数据.
- 那么应用程序看到了这么一连串的字节数据, 就不知道从哪个部分开始到哪个部分, 是一个完整的应用层数据包.
那么如何避免粘包问题呢? 归根结底就是一句话, 明确两个包之间的边界.
- 对于定长的包, 保证每次都按固定大小读取即可
- 对于变长的包, 可以在包头的位置, 约定一个包总长度的字段, 从而就知道了包的结束位置;
- 对于变长的包, 还可以在包和包之间使用明确的分隔符(应用层协议, 是程序猿自己来定的, 只要保证分隔符不和正文冲突即可);
TCP异常情况
- 进程终止: 进程终止会释放文件描述符, 仍然可以发送FIN. 和正常关闭没有什么区别.
- 机器重启: 和进程终止的情况相同.
- 机器掉电/网线断开: 接收端认为连接还在, 一旦接收端有写入操作, 接收端发现连接已经不在了, 就会进行reset. 即使没有写入操作, TCP自己也内置了一个保活定时器, 会定期询问对方是否还在. 如果对方不在, 也会把连接释放.
- 另外, 应用层的某些协议, 也有一些这样的检测机制. 例如HTTP长连接中, 也会定期检测对方的状态. 例如QQ, 在QQ断线之后, 也会定期尝试重新连接
TCP小结
为什么TCP这么复杂? 因为要保证可靠性, 同时又尽可能的提高性能.
可靠性:
- 校验和
- 序列号(按序到达)
- 确认应答
- 超时重发
- 连接管理
- 流量控制
- 拥塞控制
提高性能:
- 滑动窗口
- 快速重传
- 延迟应答
- 捎带应答
其他:
- 定时器(超时重传定时器, 保活定时器, TIME_WAIT定时器等)
基于TCP应用层协议
- HTTP
- HTTPS
- SSH
- Telnet
- FTP
- SMTP
TCP/UDP对比
TCP是可靠连接, 那么是不是TCP一定就优于UDP呢? TCP和UDP之间的优点和缺点, 不能简单, 绝对的进行比较
- TCP用于可靠传输的情况, 应用于文件传输, 重要状态更新等场景;
- UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通信领域, 例如, 早期的QQ, 视频传输等. 另外UDP可以用于广播;
归根结底, TCP和UDP都是程序员的工具, 什么时机用, 具体怎么用, 还是要根据具体的需求场景去判定.
用UDP实现可靠传输
参考TCP，根据场景引入合适的策略，比如：
- 引入序列号, 保证数据顺序;
- 引入确认应答, 确保对端收到了数据;
- 引入超时重传, 如果隔一段时间没有应答, 就重发数据;
- 等等，根据场景做出添加
理解 listen 的第二个参数
对于服务器, listen 的第二个参数设置为 1, 并且不调用 accept
此时启动 3 个客户端同时连接服务器, 用 netstat 查看服务器状态, 发现服务器对于第三个连接的状态存在问题了
客户端状态正常, 但是服务器端出现了 SYN_RECV 状态, 而不是 ESTABLISHED 状态
这是因为, Linux内核协议栈为一个tcp连接管理使用两个队列:
- 半链接队列（用来保存处于SYN_SENT和SYN_RECV状态的请求）
- 全连接队列（accpetd队列）（用来保存处于established状态，但是应用层没有调用accept取走的请求）
而全连接队列的长度会受到 listen 第二个参数的影响.
全连接队列满了的时候, 就无法继续让当前连接的状态进入 established 状态了.
这个队列的长度通过上述实验可知, 是 listen 的第二个参数 + 1.