TCP：“哥哥（giegie)你真的懂TCP吗？”

才浅Coding攻略

发布于 2022-12-12 17:07:13

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发布于 2022-12-12 17:07:13

文章被收录于专栏：才浅coding攻略

阿巩

别看标题不正经，内容可是相当硬核哦~

面向大厂jd(职位描述)学习一直是阿巩秉承的原则，技术岗位的jd通常有要求"熟悉TCP/IP等网络协议"这样的字样。我们普遍对TCP的了解是“TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议”。那么连接是如何创建的呢？是什么支持了TCP的可靠性呢？两主机性能差很多时，TCP又是如何做流量控制的呢？TCP做拥塞控制有哪些方式呢？等等问题需要我们去探索，事不宜迟，日拱一卒，让我们开始吧！

当用户在浏览器中输入一个url，通过DNS查询拿到ip地址，之后就是我们TCP建立连接的过程了，三次握手及四次挥手过程图示如下：

那么，为什么需要三次握手呢？

TCP连接的双方要确保各自的收发消息的能力都是正常的。

首先客户端第一次发送握手消息到服务端；服务端接收到握手消息后把ack和自己的syn一同发送给客户端，这是第二次握手；当客户端接收到服务端发送来的第二次握手消息后，客户端可以确认“服务端的收发能力OK，客户端的收发能力OK”，但是服务端只能确认“客户端的发送OK，服务端的接收OK”，同时也为了避免建立重复连接，所以还需要第三次握手，服务端收到客户端发送的第三次握手消息后，就能够确定“服务端的发送OK，客户端的接收OK”。至此，客户端和服务端都能够确认自己和对方的收发能力OK，TCP连接建立完成。

下面我们来用python写一个demo体会下客户端与服务端之间通信的过程。

服务端代码：

# echo_server.py
import socket

HOST = 'localhost'
PORT = 10001
def echo_server():
    """Echo Server的Server端"""
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 将对象绑定到指定的主机和端口上
    s.bind((HOST, PORT))
    # 只接受1个连接
    s.listen(1)
    while True:
        # accept表示接受用户端的连接
        conn, addr = s.accept()
        # 输出客户端地址
        print(f'Connected by {addr}')
        while True:
            data = conn.recv(1024)
            if not data:
                break
            conn.sendall(data)
        conn.close()
    s.close()


if __name__ == '__main__':
    echo_server()

客户端代码：

# echo_client.py
import socket

HOST = 'localhost'
PORT = 10001
def echo_client():
    """Echo Server的client端"""
    # 封装socket.socket，包括IPV4(AF_INET)、TCP协议(SOCK_STREAM)
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 将socket对象建立连接，包含主机名HOST和端口PORT
    s.connect((HOST, PORT))

    while True:
        # 接收用户输入的数据并发送给服务端
        data = input('input > ')
        # 设定退出条件
        if data == 'exit':
            break
        # 发送数据到服务端
        s.sendall(data.encode())
        # 接受服务端数据
        data = s.recv(1024)
        # 判断输入
        if not data:
            break
        else:
            print(data.decode('utf-8'))
    s.close()


if __name__ == '__main__':
    echo_client()

我们再来看开篇词提到的第二个问题：TCP的哪些机制保证了可靠性呢？

保证可靠性的机制有：校验和、建立连接时的三次握手和断开连接时的四次挥手、确认应答和序列号（ACK+SYN）、超时重传、流量控制、拥塞控制。

确认应答和序列号（ACK+SYN）：三次握手建立连接的首要目的是同步序列号。只有同步了序列号才有可靠的传输。因此SYN 的全称即为 Synchronize Sequence Numbers。

超时重传：TCP 必须保证每一个报文都能够到达对方，它采用的机制就是：报文发出后，必须收到接收方返回的 ACK 确认报文，如果在一段时间内（称为 RTO，retransmission timeout）没有收到，这个报文还得重新发送，直到收到 ACK 为止。

流量控制：如果我们发送一个报文，收到 ACK 确认后，再发送下一个报文，发送每个报文都需要经历一个 RTT 时延，但是这样的发送方式速度非常慢。提速的方式很简单，并行地批量发送报文，再批量确认报文即可。然而当接受方性能不如发送方，或者系统繁忙资源紧张时，报文无法得到及时处理，只能被丢掉。因此引入了滑动窗口，即接收方把它的处理能力告诉发送方，限制其发送速度即可。

接收主机的处理能力很强时，也无法通过增加发送方的发送窗口来提升发送速度，因为网络的传输速度是有限的，它会直接丢弃超过其处理能力的报文。发送方只有在重传RTO时间超时后才会发现报文被丢弃然后重传报文。然而解决这个问题办法便是拥塞控制。

拥塞控制：TCP拥塞控制是TCP协议的核心，它大致分为四个阶段：慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。