[计算机网络] TCP协议
文章目录
TCP(Transmission Control Protocol)协议属于传输层通信协议，要求数据准确无误地传递给对方。
基于TCP的应用层协议有HTTP、SMTP、FTP、Telnet和POP3
- 万维网：
HTTP协议- 文件传输：
FTP协议- 电子邮件：
SMTP协议、POP3协议- 远程终端接入：
TELNET协议
1. 特点
优缺点：数据传输可靠，但是效率慢（需要建立连接，发送确认包）。
2. 报文段格式
- TCP虽面向字节流，但传送的数据单元 = 报文段
- 报文段 = 首部 + 数据 2部分
- TCP的全部功能体现在它首部中各字段的作用：
① 首部前20个字符固定、后面有4n个字节是根据需而增加的选项 ② TCP首部最小长度 = 20字节
3. 建立连接——三次握手
注意：① 因 TCP提供的是全双工通信，故通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据
② 三次握手期间，任何1次未收到对面的回复，则都会重发
为什么TCP建立连接需要三次握手
结论：防止服务器端因接收了早已失效的连接请求报文，从而一直等待客户端请求，最终导致形成死锁、浪费资源
SYN洪泛攻击：
- 从上可看出：服务端的TCP资源分配时刻 = 完成第二次握手时；而客户端的TCP资源分配时刻 = 完成第三次握手时
- 这就使得服务器易于受到SYN洪泛攻击，即同时多个客户端发起连接请求，从而需进行多个请求的TCP连接资源分配
4. 释放连接——四次挥手
为什么TCP释放连接需要四次挥手
结论： 为了保证通信双方都能通知对方需释放 & 断开连接，即释放连接后，都无法接收 / 发送消息给对方。
延伸： 为什么客户端关闭连接前要等待2MSL时间
- 即
TIME - WAIT状态的作用是什么MSL= 最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）`
-
保证客户端发送的最后1个连接释放确认报文能到达服务器，从而使得服务器能正常释放连接。
-
防止上文提到的早已失效的连接请求报文出现在本连接中：客户端发送了最后1个连接释放请求确认报文后，再经过
2MSL时间，则可使本连接持续时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，即在下1个新的连接中就不会出现早已失效的连接请求报文。
5. 无差错传输
含义：无差错：即传输信道不出差错
发送 & 接收效率匹配：即无论发送方以多快的速度发送数据，接收方总来得及处理收到的数据
5.1 滑动窗口协议
发送端的工作原理
- 每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑动一个帧的距离
- 当发送窗口内无可发送的帧时（即窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧），发送方就会停止发送，直到收到接收方发送的确认帧使窗口移动，窗口内有可以发送的帧，之后才开始继续发送
接受端的工作原理
当收到数据帧后，将窗口向前移动一个位置，并发回确认帧，若收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。
滑动窗口协议的重要特性
- 只有接收窗口向前滑动、接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认帧才是一定）向前滑动
- 停止-等待协议、后退N帧协议 & 选择重传协议只是在发送窗口大小和接收窗口大小上有所差别：
- 停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；即 单帧滑动窗口 等于 停止-等待协议
- 后退N帧协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1。
- 选择重传协议：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1。
- 当接收窗口的大小为1时，可保证帧有序接收。
- 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的（注意要与TCP的滑动窗口协议区别）
5.2 实现无差错传输的解决方案
核心思想是采用一些可靠传输协议，使得
- 出现差错时，让发送方重传差错数据：即 出错重传
- 当接收方来不及接收收到的数据时，可通知发送方降低发送数据的效率：即 速度匹配
针对上述2个问题，分别采用的解决方案是：自动重传协议 和 流量控制 & 拥塞控制协议
解决方案1：自动重传请求协议ARQ（针对 出错重传）
ARQ指
Auto Repeat reQues
类型1：停等式ARQ（Stop-and-Wait）
- 发送方每发送一帧，要等到接收方的应答信号后才能发送下一帧
- 接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接下一帧
- 若接收方不反馈应答信号，则发送方必须一直等待
类型2：后退N帧协议（连续ARQ协议）
- 发送方：采用多帧滑动窗口的原理，可连续发送多个数据帧 而不需等待对方确认
- 接收方：采用 累计确认 & 后退N帧的原理，只允许按顺序接收帧。具体原理如下：
类型3：选择重传ARQ（Selective Repeat）
- 与ARQ协议仅仅是接收窗口大小的区别。
- 优：因连续发送数据帧而提高了信道的利用率
- 缺：重传时又必须把原来已经传送正确的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前面有一个数据帧出了错），将导致传送效率降低。
若信道传输质量很差，导致误码率较大时，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议
解决方案2：流量控制 & 拥塞控制（针对 速度匹配）
措施1：流量控制
- 注意：死锁问题：
措施2：拥塞控制
定义：防止过多的数据注入到网络中，使得网络中的路由器 & 链路不致于过载
拥塞控制与流量控制的区别
解决方案：
- 2个解决方案：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复
- 4种算法：慢开始 & 拥塞避免、快重传 & 快恢复
解决方案1：慢开始 & 拥塞避免
（一）拥塞窗口、慢开始算法、拥塞避免算法
- 发送方维持一个状态变量：拥塞窗口（
cwnd，congestion window）
-
慢开始算法：
- 原理：当主机开始发送数据时，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值（即发送窗口数值），从而由小到大逐渐增大发送报文段
- 目的：开始传输时，试探网络的拥塞情况。
- 具体措施：
- 示意图：
- 注意：慢开始的“慢”指：一开始发送报文段时拥塞窗口
（cwnd）设置得较小（为1），使得发送方在开始时只发送一个报文段（目的是试探一下网络的拥塞情况），并不是指拥塞窗口（cwnd）的增长速率慢
-
拥塞避免算法
- 原理：使得拥塞窗口
(cwnd)按线性规律缓慢增长：每经过一个往返时间RTT，发送方的拥塞窗口(cwnd)加1 - 注意：拥塞避免并不可避免拥塞，只是将拥塞窗口按现行规律缓慢增长，使得网络比较不容易出现拥塞。
- 相比慢开始算法的加倍，拥塞窗口增长速率缓慢得多
- 示意图：
- 原理：使得拥塞窗口
（二）解决方案（慢开始 & 拥塞避免）
解决方案2：快重传 & 快恢复
快重传 & 快恢复的解决方案 是对慢开始 & 拥塞避免算法的改进
（一）快重传算法、快恢复算法
- 快重传算法
- 原理：① 接收方每收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方），而不要等到自己发送数据时才进行捎带确认。② 发送方只要一连收到3个重复确认就立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器到期
- 由于发送方尽早重传未被确认的报文段，因此采用快重传后可以使整个网络吞吐量提高约20%
- 示意图
- 快恢复：当发送方连续收到3个重复确认后，就：
- 执行乘法减小算法：把慢开始门限
（ssthresh）设置为 出现拥塞时发送方窗口值的一半 = 拥塞窗口的1半 - 将拥塞窗口
（cwnd）值设置为 慢开始门限ssthresh减半后的数值 = 拥塞窗口的1半 - 执行加法增大算法：执行拥塞避免算法，使拥塞窗口缓慢地线性增大。
- 执行乘法减小算法：把慢开始门限
注意：
- 由于跳过了拥塞窗口（cwnd）从1起始的慢开始过程，所以称为：快恢复
- 此处网络不会发生网络拥塞，因若拥塞，则不会收到多个重复确认报文
（二）解决方案描述（快重传 & 快恢复）
6. 与UDP协议的区别
