本文通過(guò)兩個(gè)圖來(lái)梳理TCP-IP協(xié)議相關(guān)知識(shí)。TCP通信過(guò)程包括三個(gè)步驟：建立TCP連接通道，傳輸數(shù)據(jù)，斷開TCP連接通道。如圖1所示，給出了TCP通信過(guò)程的示意圖。

圖1 TCP 三次握手四次揮手

圖1主要包括三部分：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開連接。

1)建立TCP連接很簡(jiǎn)單，通過(guò)三次握手便可建立連接。

2)建立好連接后，開始傳輸數(shù)據(jù)。TCP數(shù)據(jù)傳輸牽涉到的概念很多：超時(shí)重傳、快速重傳、流量控制、擁塞控制等等。

3)斷開連接的過(guò)程也很簡(jiǎn)單，通過(guò)四次握手完成斷開連接的過(guò)程。

三次握手建立連接：

***次握手：客戶端發(fā)送syn包(seq=x)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn);

第二次握手：服務(wù)器收到syn包，必須確認(rèn)客戶的SYN(ack=x+1)，同時(shí)自己也發(fā)送一個(gè)SYN包(seq=y)，即SYN+ACK包，此時(shí)服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài);

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=y+1)，此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。

握手過(guò)程中傳送的包里不包含數(shù)據(jù)，三次握手完畢后，客戶端與服務(wù)器才正式開始傳送數(shù)據(jù)。理想狀態(tài)下，TCP連接一旦建立，在通信雙方中的任何一方主動(dòng)關(guān)閉連接之前，TCP 連接都將被一直保持下去。

傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程：

a.超時(shí)重傳

超時(shí)重傳機(jī)制用來(lái)保證TCP傳輸?shù)目煽啃浴Ｃ看伟l(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)都有seq號(hào)，接收端收到數(shù)據(jù)后，會(huì)回復(fù)ack進(jìn)行確認(rèn)，表示某一seq號(hào)數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。發(fā)送方在發(fā)送了某個(gè)seq包后，等待一段時(shí)間，如果沒(méi)有收到對(duì)應(yīng)的ack回復(fù)，就會(huì)認(rèn)為報(bào)文丟失，會(huì)重傳這個(gè)數(shù)據(jù)包。

b.快速重傳

接受數(shù)據(jù)一方發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包丟掉了。就會(huì)發(fā)送ack報(bào)文告訴發(fā)送端重傳丟失的報(bào)文。如果發(fā)送端連續(xù)收到標(biāo)號(hào)相同的ack包，則會(huì)觸發(fā)客戶端的快速重傳。比較超時(shí)重傳和快速重傳，可以發(fā)現(xiàn)超時(shí)重傳是發(fā)送端在傻等超時(shí)，然后觸發(fā)重傳;而快速重傳則是接收端主動(dòng)告訴發(fā)送端數(shù)據(jù)沒(méi)收到，然后觸發(fā)發(fā)送端重傳。

c.流量控制

這里主要說(shuō)TCP滑動(dòng)窗流量控制。TCP頭里有一個(gè)字段叫Window，又叫Advertised-Window，這個(gè)字段是接收端告訴發(fā)送端自己還有多少緩沖區(qū)可以接收數(shù)據(jù)。于是發(fā)送端就可以根據(jù)這個(gè)接收端的處理能力來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不會(huì)導(dǎo)致接收端處理不過(guò)來(lái)。 滑動(dòng)窗可以是提高TCP傳輸效率的一種機(jī)制。

d.擁塞控制

滑動(dòng)窗用來(lái)做流量控制。流量控制只關(guān)注發(fā)送端和接受端自身的狀況，而沒(méi)有考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信情況。擁塞控制，則是基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)考慮的。考慮一下這樣的場(chǎng)景：某一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)上的延時(shí)突然增加，那么，TCP對(duì)這個(gè)事做出的應(yīng)對(duì)只有重傳數(shù)據(jù)，但是，重傳會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)更重，于是會(huì)導(dǎo)致更大的延遲以及更多的丟包，于是，這個(gè)情況就會(huì)進(jìn)入惡性循環(huán)被不斷地放大。試想一下，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有成千上萬(wàn)的TCP連接都這么行事，那么馬上就會(huì)形成“網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴”，TCP這個(gè)協(xié)議就會(huì)拖垮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。為此，TCP引入了擁塞控制策略。擁塞策略算法主要包括：慢啟動(dòng)，擁塞避免，擁塞發(fā)生，快速恢復(fù)。

四次握手?jǐn)嚅_連接：

***次揮手：主動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉主動(dòng)方到被動(dòng)關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是主動(dòng)關(guān)閉方告訴被動(dòng)關(guān)閉方：我已經(jīng)不會(huì)再給你發(fā)數(shù)據(jù)了(當(dāng)然，在fin包之前發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有收到對(duì)應(yīng)的ack確認(rèn)報(bào)文，主動(dòng)關(guān)閉方依然會(huì)重發(fā)這些數(shù)據(jù))，但此時(shí)主動(dòng)關(guān)閉方還可以接受數(shù)據(jù)。

第二次揮手：被動(dòng)關(guān)閉方收到FIN包后，發(fā)送一個(gè)ACK給對(duì)方，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1(與SYN相同，一個(gè)FIN占用一個(gè)序號(hào))。

第三次揮手：被動(dòng)關(guān)閉方發(fā)送一個(gè)FIN，用來(lái)關(guān)閉被動(dòng)關(guān)閉方到主動(dòng)關(guān)閉方的數(shù)據(jù)傳送，也就是告訴主動(dòng)關(guān)閉方，我的數(shù)據(jù)也發(fā)送完了，不會(huì)再給你發(fā)數(shù)據(jù)了。

第四次揮手：主動(dòng)關(guān)閉方收到FIN后，發(fā)送一個(gè)ACK給被動(dòng)關(guān)閉方，確認(rèn)序號(hào)為收到序號(hào)+1，至此，完成四次揮手。#p#

圖2給出了TCP通信過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，理解此圖是我們理解TCP-IP協(xié)議的關(guān)鍵。

圖2 TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

狀態(tài)圖詳細(xì)解讀：

1.CLOSED：起始點(diǎn)，在超時(shí)或者連接關(guān)閉時(shí)候進(jìn)入此狀態(tài)。

2.LISTEN：服務(wù)端在等待連接過(guò)來(lái)時(shí)候的狀態(tài)，服務(wù)端為此要調(diào)用socket，bind,listen函數(shù)，就能進(jìn)入此狀態(tài)。此稱為應(yīng)用程序被動(dòng)打開(等待客戶端來(lái)連接)。

3.SYN_SENT:客戶端發(fā)起連接，發(fā)送SYN給服務(wù)器端。如果服務(wù)器端不能連接，則直接進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

4.SYN_RCVD：跟3對(duì)應(yīng)，服務(wù)器端接受客戶端的SYN請(qǐng)求，服務(wù)器端由LISTEN狀態(tài)進(jìn)入SYN_RCVD狀態(tài)。同時(shí)服務(wù)器端要回應(yīng)一個(gè)ACK，同時(shí)發(fā)送一個(gè)SYN給客戶端;另外一種情況，客戶端在發(fā)起SYN的同時(shí)接收到服務(wù)器端得SYN請(qǐng)求，客戶端就會(huì)由SYN_SENT到SYN_RCVD狀態(tài)。

5.ESTABLISHED：服務(wù)器端和客戶端在完成3次握手進(jìn)入狀態(tài)，說(shuō)明已經(jīng)可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

以上是建立連接時(shí)服務(wù)器端和客戶端產(chǎn)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)移說(shuō)明。相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單明了，如果你對(duì)三次握手比較熟悉，建立連接時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移還是很容易理解。

下面，我們來(lái)看看連接關(guān)閉時(shí)候的狀態(tài)轉(zhuǎn)移說(shuō)明，關(guān)閉需要進(jìn)行4次雙方的交互，還包括要處理一些善后工作(TIME_WAIT狀態(tài))，注意，這里主動(dòng)關(guān)閉的一方或被動(dòng)關(guān)閉的一方不是指特指服務(wù)器端或者客戶端，是相對(duì)于誰(shuí)先發(fā)起關(guān)閉請(qǐng)求來(lái)說(shuō)的：

6.FIN_WAIT_1:主動(dòng)關(guān)閉的一方，由狀態(tài)5進(jìn)入此狀態(tài)。具體的動(dòng)作是發(fā)送FIN給對(duì)方。

7.FIN_WAIT_2:主動(dòng)關(guān)閉的一方，接收到對(duì)方的FIN-ACK(即fin包的回應(yīng)包)，進(jìn)入此狀態(tài)。

8.CLOSE_WAIT：接收到FIN以后，被動(dòng)關(guān)閉的一方進(jìn)入此狀態(tài)。具體動(dòng)作是接收到FIN，同時(shí)發(fā)送ACK。(之所以叫close_wait可以理解為被動(dòng)關(guān)閉方此時(shí)正在等待上層應(yīng)用發(fā)出關(guān)閉連接指令)

9.LAST_ACK：被動(dòng)關(guān)閉的一方，發(fā)起關(guān)閉請(qǐng)求，由狀態(tài)8進(jìn)入此狀態(tài)。具體動(dòng)作是發(fā)送FIN給對(duì)方，同時(shí)在接收到ACK時(shí)進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

10.CLOSING：兩邊同時(shí)發(fā)起關(guān)閉請(qǐng)求時(shí)，會(huì)由FIN_WAIT_1進(jìn)入此狀態(tài)。具體動(dòng)作是接收到FIN請(qǐng)求，同時(shí)響應(yīng)一個(gè)ACK。

11.TIME_WAIT：最糾結(jié)的狀態(tài)來(lái)了。從狀態(tài)圖上可以看出，有3個(gè)狀態(tài)可以轉(zhuǎn)化成它，我們一一來(lái)分析：

a.由FIN_WAIT_2進(jìn)入此狀態(tài)：在雙方不同時(shí)發(fā)起FIN的情況下，主動(dòng)關(guān)閉的一方在完成自身發(fā)起的關(guān)閉請(qǐng)求后，接收到被動(dòng)關(guān)閉一方的FIN后進(jìn)入的狀態(tài)。

b.由CLOSING狀態(tài)進(jìn)入:雙方同時(shí)發(fā)起關(guān)閉，都做了發(fā)起FIN的請(qǐng)求，同時(shí)接收到了FIN并做了ACK的情況下，由CLOSING狀態(tài)進(jìn)入。

c.由FIN_WAIT_1狀態(tài)進(jìn)入：同時(shí)接受到FIN(對(duì)方發(fā)起)，ACK(本身發(fā)起的FIN回應(yīng))，與b的區(qū)別在于本身發(fā)起的FIN回應(yīng)的ACK先于對(duì)方的FIN請(qǐng)求到達(dá)，而b是FIN先到達(dá)。這種情況概率最小。

關(guān)閉的4次連接最難理解的狀態(tài)是TIME_WAIT，存在TIME_WAIT的2個(gè)理由：

1.可靠地實(shí)現(xiàn)TCP全雙工連接的終止。

2.允許老的重復(fù)分節(jié)在網(wǎng)絡(luò)中消逝。

附：

慢熱啟動(dòng)算法 – Slow Start

首先，我們來(lái)看一下TCP的慢熱啟動(dòng)。慢啟動(dòng)的意思是，剛剛加入網(wǎng)絡(luò)的連接，一點(diǎn)一點(diǎn)地提速，不要一上來(lái)就像那些特權(quán)車一樣霸道地把路占滿。新同學(xué)上高速還是要慢一點(diǎn)，不要把已經(jīng)在高速上的秩序給搞亂了。

慢啟動(dòng)的算法如下(cwnd全稱Congestion Window)：

1)連接建好的開始先初始化cwnd = 1，表明可以傳一個(gè)MSS大小的數(shù)據(jù)。

2)每當(dāng)收到一個(gè)ACK，cwnd++; 呈線性上升

3)每當(dāng)過(guò)了一個(gè)RTT，cwnd = cwnd*2; 呈指數(shù)讓升

4)還有一個(gè)ssthresh(slow start threshold)，是一個(gè)上限，當(dāng)cwnd >= ssthresh時(shí)，就會(huì)進(jìn)入“擁塞避免算法”(后面會(huì)說(shuō)這個(gè)算法)

所以，我們可以看到，如果網(wǎng)速很快的話，ACK也會(huì)返回得快，RTT也會(huì)短，那么，這個(gè)慢啟動(dòng)就一點(diǎn)也不慢。

擁塞避免算法 – Congestion Avoidance

前面說(shuō)過(guò)，還有一個(gè)ssthresh(slow start threshold)，是一個(gè)上限，當(dāng)cwnd >= ssthresh時(shí)，就會(huì)進(jìn)入“擁塞避免算法”。一般來(lái)說(shuō)ssthresh的值是65535，單位是字節(jié)，當(dāng)cwnd達(dá)到這個(gè)值時(shí)后，算法如下：

1)收到一個(gè)ACK時(shí)，cwnd = cwnd + 1/cwnd

2)當(dāng)每過(guò)一個(gè)RTT時(shí)，cwnd = cwnd + 1

這樣就可以避免增長(zhǎng)過(guò)快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，慢慢的增加調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)的***值。很明顯，是一個(gè)線性上升的算法。

擁塞狀態(tài)時(shí)的算法

前面我們說(shuō)過(guò)，當(dāng)丟包的時(shí)候，會(huì)有兩種情況：

1)等到RTO超時(shí)，重傳數(shù)據(jù)包。TCP認(rèn)為這種情況太糟糕，反應(yīng)也很強(qiáng)烈。

sshthresh = cwnd /2

cwnd 重置為 1

進(jìn)入慢啟動(dòng)過(guò)程

2)Fast Retransmit算法，也就是在收到3個(gè)duplicate ACK時(shí)就開啟重傳，而不用等到RTO超時(shí)。

TCP Tahoe的實(shí)現(xiàn)和RTO超時(shí)一樣。

TCP Reno的實(shí)現(xiàn)是：

cwnd = cwnd /2

sshthresh = cwnd

進(jìn)入快速恢復(fù)算法——Fast Recovery

上面我們可以看到RTO超時(shí)后，sshthresh會(huì)變成cwnd的一半，這意味著，如果cwnd<=sshthresh時(shí)出現(xiàn)的丟包，那么TCP的sshthresh就會(huì)減了一半，然后等cwnd又很快地以指數(shù)級(jí)增漲爬到這個(gè)地方時(shí)，就會(huì)成慢慢的線性增漲。我們可以看到，TCP是怎么通過(guò)這種強(qiáng)烈地震蕩快速而小心得找到網(wǎng)站流量的平衡點(diǎn)的。

快速恢復(fù)算法 – Fast Recovery

TCP Reno

這個(gè)算法定義在RFC5681?？焖僦貍骱涂焖倩謴?fù)算法一般同時(shí)使用?？焖倩謴?fù)算法是認(rèn)為，你還有3個(gè)Duplicated Acks說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)也不那么糟糕，所以沒(méi)有必要像RTO超時(shí)那么強(qiáng)烈。 注意，正如前面所說(shuō)，進(jìn)入Fast Recovery之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

cwnd = cwnd /2

sshthresh = cwnd

然后，真正的Fast Recovery算法如下：

cwnd = sshthresh + 3 * MSS (3的意思是確認(rèn)有3個(gè)數(shù)據(jù)包被收到了)

重傳Duplicated ACKs指定的數(shù)據(jù)包

如果再收到 duplicated Acks，那么cwnd = cwnd +1

如果收到了新的Ack，那么，cwnd = sshthresh ，然后就進(jìn)入了擁塞避免的算法了。

如果你仔細(xì)思考一下上面的這個(gè)算法，你就會(huì)知道，上面這個(gè)算法也有問(wèn)題，那就是——它依賴于3個(gè)重復(fù)的Acks。注意，3個(gè)重復(fù)的Acks并不代表只丟了一個(gè)數(shù)據(jù)包，很有可能是丟了好多包。但這個(gè)算法只會(huì)重傳一個(gè)，而剩下的那些包只能等到RTO超時(shí)，于是，進(jìn)入了惡夢(mèng)模式——超時(shí)一個(gè)窗口就減半一下，多個(gè)超時(shí)會(huì)超成TCP的傳輸速度呈級(jí)數(shù)下降，而且也不會(huì)觸發(fā)Fast Recovery算法了。

TCP New Reno

于是，1995年，TCP New Reno(參見(jiàn) RFC 6582 )算法提出來(lái)，主要就是在沒(méi)有SACK的支持下改進(jìn)Fast Recovery算法的——

當(dāng)sender這邊收到了3個(gè)Duplicated Acks，進(jìn)入Fast Retransimit模式，開發(fā)重傳重復(fù)Acks指示的那個(gè)包。如果只有這一個(gè)包丟了，那么，重傳這個(gè)包后回來(lái)的Ack會(huì)把整個(gè)已經(jīng)被sender傳輸出去的數(shù)據(jù)ack回來(lái)。如果沒(méi)有的話，說(shuō)明有多個(gè)包丟了。我們叫這個(gè)ACK為Partial ACK。

一旦Sender這邊發(fā)現(xiàn)了Partial ACK出現(xiàn)，那么，sender就可以推理出來(lái)有多個(gè)包被丟了，于是乎繼續(xù)重傳sliding window里未被ack的***個(gè)包。直到再也收不到了Partial Ack，才真正結(jié)束Fast Recovery這個(gè)過(guò)程

我們可以看到，這個(gè)“Fast Recovery的變更”是一個(gè)非常激進(jìn)的玩法，他同時(shí)延長(zhǎng)了Fast Retransmit和Fast Recovery的過(guò)程。