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关于网络传输协议:TCP学习笔记一-初遇篇

jiezi

前言

对于计算机网络方面的内容，我比拟苦恼，该如何组织内容，将这部分内容如何和本人对网络编程的认知联合起来，还有就是介绍程序，引论之后是依照大学教材的程序，还是跳过物理层(这一层离程序员的确有点远，所以这部分内容不思考介绍)，数据链路层、网络层，应用层，还是自顶向下，应用层、传输层、网络层、数据链路层。这其实也是在取舍，因为我大学上这门课的时候，教材的程序是自下往顶，而后我听了大略几个星期之后，齐全抉择放弃，因为听不懂，我感觉这些货色摸不到，我失去的只是一些形象的概念，落不了地，也可能跟过后没有做过网络开发的工作相干，在毕业之后实习，写了一点网络编程的代码，才缓缓了解起大学教材的概念，所以这也是这个系列会交叉一点网络编程框架介绍的起因。明天在应用层、网络层、传输层，这三层斟酌了颇长时间，最终还是决定先写 TCP 相干的内容。

咱们回顾一下在《计算机网络引论》外面的内容，看似简略而又日常的网络通信，其实是一个简单的问题，为了升高问题的复杂度，计算机网络的先驱们，采取了分层的策略来解决通信过程中所遇到的问题，国际化规范组织于 1977 年成立了专门的组织来钻研该问题，该组织提出的分层计划是将网络分为七层，因为该模型比拟理想化，最终没被市场所采纳，最终风行的是 TCP/IP 协定的四层规范，在学习计算机网络原理的时候往往采取折中的计划，将网络分为五层。

五层协定的体系结构只是为介绍网络原理，理论利用还是 TCP/IP 协定的四层体系结构。咱们自顶向上再来大抵的介绍一下各层的职能划分，加深记忆。

  • 物理层: 规定电气个性，多大的电压代表“1”或“0”等

  • 数据链路层: 两台计算机之间的数据传输总是在一段一点的链路上传送的，这就须要专门的链路层的协定。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层

    将网络层交下来的数据包组装成帧，每一帧包含数据和必要的管制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。

这样说可能有点形象，咱们来讲一个小故事来领会一下:

杨贵妃喜爱吃香蕉，皇帝为了让爱妃吃的开心，皇帝命令大臣日夜兼程将香蕉从海南运输到长安。

那么香蕉从海南到长安总共须要几步:

第一步: 首先须要用船将香蕉运出岛，运到广东的码头。

第二步: 从广东运向长安，这个时候还没有飞机，所以两头会坐船，骑马，换乘交通工具。

第三步: 香蕉达到目的地。

如果将士兵比喻成 IP 包，则马、船只就是数据链路层，这也就是 IP 包每一跳须要更换数据链路层，就如同士兵须要一直变换交通工具一样天然，局势所迫。

那为什么士兵会抉择将香蕉运到广东，从广东再运到长安，而不是运到非洲再运到长安呢，因为你广东离长安更近啊。

那为什么士兵不间接奔向长安？而是先到广东码头，因为码头是必经之地，码头是通向目的地长安的一块跳板，只管不是最终目的地，但士兵 (IP 包) 却须要通过它。

如果有飞机呢，士兵是不是能够直飞长安呢，在这里飞机同样是数据链路层，因为它的目标是服务士兵(IP) 包，而士兵最终的目的地：长安。

  • 网络层:

在《计算机网络引论》中，咱们讲到 IP 层还有一个相似于理论住址的性能，便于动静路由，mac 地址像是身份证，而 IP 层的 IP 则像是理论住址一样。

但其实这个必须还是有不失当的中央，这事实上把一部分传输层的性能也划入了网络层，mac 地址更像是房间的地址，房子一旦建成，经度纬度不会再发生变化了。快递达到理论寓居房间之后，外面有好多人，那怎么确定这个快递是谁的呢，这就是传输层的工作之一。

  • 传输层

有了 IP、MAC 地址，还是无奈确定这个数据包要给哪个过程，运输层提出了端口的概念，通过 IP+ 端口即可确定这个数据包能够给谁，相似于快递到房间之后，会叫名字，因为名字不是惟一的，快递员还会复核一下手机号。但快递的货色失落了怎么办，让卖家再发一次喽，尽管在运输过程中都是在尽最大致力交付，然而在运输过程中还是可能产生丢数据包的景象，个别的买家会让卖家再重发，这样的买家和卖家是 TCP 协定，但有的买卖双方是丢了也不给你重发，也就是 UDP 协定。

  • 应用层

有了快马加鞭运输系统，皇帝小孩儿个别是不怎么放心运输问题的，有的时候皇帝会发旨意，有的时候会发赏赐，这也就是利用过程之间的交互。

TCP 概述

连贯治理

TCP 是 TCP/IP 体系中非常复杂的一个协定，TCP 是面向连贯的运输层协定，这就是说应用程序在应用 TCP 协定之前，必须先建设 TCP 连贯，在数据开释完之后，必须开释曾经建设的 TCP 连贯。其实在学到这个 TCP 连贯的时候，我对这个连贯多多少少是感觉了解不透的，我将其了解为通信之前确认通信单方的状态，打电话的时候有个拨号的过程，然而对面挂断电话的话，这个打电话界面也就退出了，这个我是了解的，然而这个连贯我就了解不到实体上，哪个是电话，拨号过程在哪里？再有，我如何去应用 TCP 协定，TCP 协定是蛮简单的一个协定，我要编写通信软件不会还要我本人去实现一把这个协定吧。

当然不会让程序员用高级语言再实现一把 TCP 协定，这是一个宏大而又简单的工程，TCP/IIP 协定曾经驻留在操作系统中，因为 TCP/IP 协定被设计成能运行在多种操作系统的环境中，因而 TCP/IP 协定规范没有规定应用程序与 TCP/IP 协定如何接口 (调用) 的细节，而是容许零碎设计者可能抉择无关 API 的具体实现细节。

目前来说只有几种可供应用程序应用的 TCP/IP 的利用程序接口，最驰名的就是美国加利福利亚大学伯克利分校为 Berkeley UNIX 操作系统定义的 API，被称为套接字接口(socket interface)。微软在其操作系统中采纳了套接字 API，然而有一点不同，咱们称之为 Windows Socket。AT&T 的 Unix System V 版本定义的接口，简写为 TLI(Transport Layer port)

因为有不同的实现，所以在不同的操作系统上行为可能会有点差别，也就是在 TCP/IP 协定上做独自的定制，但最终都实现了 TCP/IP 协定，次要的行为不会有差别。
操作系统对外部裸露运输层和应用层通信的接口，个别咱们称之为 Socket API。个别高级语言都留有调用操作系统 Socket API 的实现。咱们用 Java 来演示一下调用操作系统提供的运输层 TCP 协定:

public class SocketClient{public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 这行代码会尝试和我本地端口为 12345 建设连贯
        // 如果始终追着看会发现, 最终调的是一个 native 办法
        // 最终还是调的操作系统的办法
        // 由操作系统返回是否可能建设连贯、连贯状态
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1",12345);
    }
}

这就相似于打电话了，通信之前，确认信道的品质。少数与 TCP 相干的文章都会从三次握手和四次握手登程，这里我试图先大抵描绘出 TCP 的主体，再别离去介绍 TCP 的各个局部。连贯治理也是 TCP 协定中的一个重要局部。

牢靠传输概述

TCP 协定提供牢靠交付服务，通过 TCP 连贯传输的数据，无差错、不失落、不反复，并且按序达到。咱们称之为牢靠传输，为了实现可靠性传输，须要思考很多事件，例如数据的毁坏、丢包、反复以及分片程序凌乱等问题。如果不能解决这些问题，也就无从谈起牢靠传输。

咱们先大抵先从最简略的进行期待协定动手，看看为了实现牢靠传输要做哪些事件，真正的 TCP 应用的牢靠传输协定要远比这个进行期待协定要简单的多。

全双工通信的单方既是否发送方也是接管方，为了探讨问题不便，咱们仅思考 A 发送数据 B 接收数据并发送确认。因而 A 叫做发送方，而 B 叫做接管方，将传送的数据单元都称为分组。进行期待协定中的进行期待就是每发送一个分组就进行发送，期待对方的确认，在收到确认之后，再发送下一个分组。

进行期待协定能够用下图来阐明:

下面是一种十分现实的通信状况，A 发送分组 M1，发完就暂停发送，期待 B 的确认。B 收到了 M1 就向 A 发送确认，A 收到了对 M1 的确认，就发送下一个分组 M2。

同样，在收到 B 对 M2 的确认之后，再发送 M3. 然而如果说在传输过程中呈现了过错呢，B 在接管到 M1 时对 M1 进行检测，发现 M1 缺失，就抛弃 M1 这个报文，当然也可能 B 压根就没收到 M1，在这种状况下，B 都会向 A 发送任何音讯。牢靠传输协定个别是这么设计的: A 只有超过一段时间依然没有收到确认，就认为方才发送的分组失落了，因此重传后面发过的分组，这叫超时重传。要实现超时重传，就要在每发送一个分组时，设置一个超时计时器。如果在超时计时器到期之前收到了对方的告诉，就撤销设置的超时计时器。

这里应该留神以下三点:

  • A 在发送一个分组后，必须临时保留已发送的分组的正本(在发送超时重传时进行应用)，只有在收到相应的确认之后能力临时革除临时保留的分组正本。
  • 分组和确认分组都必须进行编号，这样能力明确是哪一个发送进来的分组收到了确认，而哪一个分组还没有收到确认。
  • 超时工夫的设置，重传工夫该当比在分组传输的均匀往返工夫要更长一些，不能太长，通信效率就会很低，太短就会产生很多不必要的重传。

在传输信息的过程中还有两种状况值得咱们留神:

  • 确认失落

下面的出错状况是出在发送方发给接管方的过程，这种状况是接管方在传输给发送方刚确认的时候产生，A 在指定的工夫内没有收到 M1 确认，也没有方法确认是本人发的分组出错、还是失落，或者 B 发送的确认失落了。因而 A 在超时器到期之后就会再传输一次 M1。

对于 B 来说此时就应该采取两个动作:

  • 抛弃这个反复的分组 M1，不向下层交付
  • 向 A 发送确认。不能认为曾经发送过确认就不再发送，因为 A 之所以重传 M1 就阐明 A 没有收到确认。

  • 确认早退

    B 发送给 A 对 M1 的确认早退了，但 B 会再发一次，在这种状况下 A 会收到反复的确认，对反复的确认解决很简略: 收下后就抛弃。B 依然会收到反复的 M1，并且重传确认分组。

通常状况下 A 最终总是能够收到对所有收回分组的确认，如果 A 一直重传分组然而总是收不到确认，那就是阐明通信线路太差，不能进行通信。应用上述确认和重传机制，咱们就能够在不牢靠的传输网络上实现牢靠的通信。

TCP 并未采纳进行期待协定，因为信道的利用率太低了，咱们会在前面的文章，做具体的介绍。

流量管制

一般来说，咱们总是心愿数据传输得更快一些，但如果发送方把数据发送得过快，接管方就可能接管不迭，写到这里我忽然想起了打球，脑子里呈现的场景是，两个人干活，一个人将运输物品给另一人，咱们将其命名为 A 和 B，刚开始是 A 一个一个的发送, A 如果加大速度，这个物品 B 接管不迭，就可能掉在地上。为了防止这种状况，TCP 引入了流量管制，所谓流量管制就是让发送方的发送频率不要太快，要让接管方来得及接管。

拥塞管制

过年来回上海，我问司机徒弟什么时候能到我住的中央，司机说当初下班的人没回来，开的快。事实上在网络中也会有这样的状况，一般来说计算机网络都处在一个共享的环境，如果说某时刻发送音讯的比拟多，就像是马路上有很多车，这种状况咱们称之为网络拥挤，如果持续发送大量数据包，就可能会导致数据包延时、失落等，这时 TCP 就会重传数据，然而一旦从重传救护导致网络的累赘更重，于是乎导致更大的提早以及更多的丢包，这就会进入恶性循环一直地放大。

所以 TCP 不能疏忽网络上产生的事，它被设计成一个自私的协定，当网络发送拥塞时，TCP 会升高发送的数据量。于是就有了拥塞管制，管制的目标就是防止发送方的数据填满整个网络。

写在最初

本位大抵介绍了传输层协定要解决的问题，以及传输层的一个重要协定 TCP 协定的大抵组成，心愿能从宏观上对 TCP 协定有一个大抵的意识，没有抉择从高频面试题三次握手登程介绍，先整体再部分，这样能够让咱们有一条主线，不至于迷失在细节中。这个系列的文章也有实习面试的缘故，我记得还是蛮分明的，过后面试官出题，我答的不好，前面其实打算重学一下，算是再回应。其实实习的时候有很多让我印象很深的问题，大抵都通过这些年的学习找到了答案，目前还差一个编译原理相干的系列还没开始，这算是旧坑未填完，又挖新坑了。

参考资料

  • 能不能艰深讲一讲数据链路层到底有什么用？知乎答主 https://www.zhihu.com/questio…
  • 30 张图解：TCP 重传、滑动窗口、流量管制、拥塞管制发愁 https://zhuanlan.zhihu.com/p/…
  • 《深刻了解计算机系统》第三版
  • tcp 的伯克利实现与当今的 tcp 实现差距有多大？https://www.zhihu.com/questio…
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